High-Performance Photoelectric-Photovoltaic (PEV) Hybrid Solar Cell Architecture: Overcoming the Single-Junction Limit via Micro-Gap Emission Coupling
यह अध्ययन एक नवीन फोटोइलेक्ट्रिक-फोटोवोल्टिक (PEV) हाइब्रिड सौर सेल आर्किटेक्चर का प्रस्ताव और सैद्धांतिक रूप से सत्यापन करता है जो शॉकली-क्वीसर सीमा को पार करने के लिए एक स्व-बायस्ड कैल्शियम माइक्रो-गैप उत्सर्जक को गैलियम आर्सेनाइड फोटोवोल्टिक बेस के साथ एकीकृत करता है, जिससे फोटोइलेक्ट्रिक और फोटोवोल्टिक धाराओं को सहक्रियात्मक रूप से संयोजित करके 68% से अधिक की सैद्धांतिक शक्ति रूपांतरण दक्षता प्राप्त होती है।
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द दशकों से, सौर ऊर्जा का सपना सूर्य की जितनी संभव हो सके उतनी ऊर्जा को पकड़ने और उसे बिजली में बदलने का रहा है। इसे करने का सबसे सामान्य तरीका एक एकल परत वाली सामग्री का उपयोग करता है, जो आमतौर पर एक प्रकार का क्रिस्टल होती है, ताकि सूर्य के प्रकाश को अवशोषित किया जा सके। जब एक फोटॉन, जो प्रकाश का एक छोटा सा पैकेट है, इस सामग्री से टकराता है, तो यह एक इलेक्ट्रॉन को ढीला कर देता है, जिससे करंट का प्रवाह बनता है। हालाँकि, इस सरल दृष्टिकोण में एक मौलिक दोष है। यदि कोई फोटॉन बहुत अधिक ऊर्जा ले जाता है—जैसे कि सूर्य के प्रकाश में पाया जाने वाला उच्च-ऊर्जा वाला नीला या पराबैंगनी प्रकाश—तो अतिरिक्त ऊर्जा को बचाया नहीं जाता है। इसके बजाय, इसे गर्मी के रूप में बर्बाद कर दिया जाता है, जिससे सामग्री गर्म हो जाती है बिना किसी बिजली का उत्पादन किए। यह नुकसान इतना महत्वपूर्ण है कि यह एक एकल-परत वाले सौर सेल की दक्षता पर एक कठिन सीमा निर्धारित कर देता है, जो इसे सूर्य की ऊर्जा के लगभग एक-तिहाई तक सीमित कर देता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बाधा को तोड़ने का एक तरीका खोज रहे हैं, इस उम्मीद में कि उस बर्बाद हुई ऊष्मा ऊर्जा को गायब होने से पहले कैसे प्राप्त किया जाए।
गोलिस्तान विश्वविद्यालय, ईरान के एक शोधकर्ता ने एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जो इस समस्या को हल करने का प्रयास करता है। वे इसे सौर सेल के निर्माण के तरीके को बदलकर करते हैं। केवल एक परत पर सारा काम करने के लिए निर्भर रहने के बजाय, वे एक हाइब्रिड संरचना का सुझाव देते हैं जो बिजली उत्पन्न करने के दो अलग-अलग तरीकों को जोड़ती है। पहला भाग गैलियम आर्सेनाइड से बने एक मानक सौर सेल का उपयोग करता है, जो अपने उच्च प्रदर्शन के लिए जाना जाता है। दूसरा भाग एक नवीन जुड़ाव है: कैल्शियम नामक एक विशेष धातु से भरा एक सूक्ष्म अंतराल (गैप)। यह अंतराल सबसे ऊर्जावान फोटॉन्स के लिए एक द्वारपाल के रूप में कार्य करता है। जब उच्च-ऊर्जा वाला पराबैंगनी प्रकाश कैल्शियम से टकराता है, तो यह केवल सामग्री को गर्म नहीं करता है; बल्कि यह इलेक्ट्रॉनों को पूरी तरह से धातु से बाहर निकाल देता है और अंतराल के पार भेज देता है। यह प्रक्रिया, जिसे फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है, उस ऊर्जा को पकड़ लेती है जो अन्यथा गर्मी के रूप में बर्बाद हो जाती।
इस डिज़ाइन की बुद्धिमत्ता इस बात में निहित है कि दोनों भाग एक साथ मिलकर कैसे काम करते हैं। मानक सौर सेल एक वोल्टेज, या विद्युत दबाव, उत्पन्न करता है, जो स्वाभाविक रूप से उन इलेक्ट्रॉनों को धकेलता है जो अंतराल के पार कूद गए हैं। इसका अर्थ है कि सिस्टम बिना किसी बाहरी बैटरी या तारों के, इलेक्ट्रॉनों को चलाने के लिए खुद को संचालित करता है। शोधकर्ता ने इस स्तरित संरचना का एक कंप्यूटर मॉडल बनाया, जिसमें प्रकाश को अंदर आने देने के लिए पारदर्शी कोटिंग्स, कैल्शियम अंतराल, गैलियम आर्सेनाइड सेल और एक बैक कॉन्टैक्ट शामिल है। उन्होंने सिम्युलेट किया कि प्रकाश इन परतों के माध्यम से कैसे यात्रा करता है और बिजली कैसे उत्पन्न होती है। उनके गणनाओं ने दिखाया कि उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉनों को अंतराल में पकड़कर और कम-ऊर्जा वाले फोटॉनों को नीचे स्थित सेल के माध्यम से गुजरने देकर, यह उपकरण भारी मात्रा में करंट पैदा कर सकता है। विशेष रूप से, मॉडल ने 57.98 मिलीएम्पियर प्रति वर्ग सेंटीमीटर का कुल करंट डेंसिटी (धारा घनत्व) अनुमानित किया, जो उसी आकार के एक मानक एकल-परत सेल की तुलना में लगभग दोगुना है।
केवल अधिक करंट कैप्चर करने के अलावा, यह डिज़ाइन वोल्टेज बढ़ाने में भी सक्षम है। क्योंकि दोनों तंत्र एक विशिष्ट तरीके से एक के ऊपर एक रखे गए हैं, उनके विद्युत दबाव आपस में जुड़ जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप 1.450 वोल्ट का कुल वोल्टेज प्राप्त होता है। जब शोधकर्ता ने इस उच्च करंट और उच्च वोल्टेज के आंकड़ों को मिलाया, तो परिणाम एक 68.43 प्रतिशत की सैद्धांतिक ऊर्जा रूपांतरण दक्षता थी। यह संख्या एक मानक एकल-परत सौर सेल की सैद्धांतिक सीमा से दोगुनी से भी अधिक है। अध्ययन बताता है कि यह दोहरी-तंत्र दृष्टिकोण उस थर्मोडायनामिक बाधा को सफलतापूर्वक पार कर लेता है जिसने लंबे समय से सौर तकनीक को रोक रखा है।
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि ये परिणाम एक सैद्धांतिक मॉडल और कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं, न कि प्रयोगशाला में बनाए गए किसी भौतिक उपकरण से। शोधकर्ता ने अभी तक इस सेल का निर्माण नहीं किया है ताकि यह सिद्ध किया जा सके कि यह वास्तविक दुनिया में काम करता है। वे स्वीकार करते हैं कि ऐसा उपकरण बनाने में महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग बाधाएं आएंगी, विशेष रूप से परतों के बीच उस सूक्ष्म अंतराल को बरकरार रखने और हवा के संपर्क में आने पर प्रतिक्रियाशील कैल्शियम धातु को ऑक्सीकरण से बचाने में। इन चुनौतियों के बावजूद, यह अध्ययन एक नए प्रकार के सौर ऊर्जा परिवर्तक का एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। यह दिखाते हुए कि सूर्य के प्रकाश को काटने का काम एक फोटोइलेक्ट्रिक उत्सर्जक और एक पारंपरिक सौर सेल के बीच कैसे विभाजित किया जाए, यह कार्य अल्ट्रा-हाई-एफिशिएंसी ऊर्जा प्रणालियों की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है जो एक दिन सूर्य की शक्ति को पकड़ने के तरीके को बदल सकते हैं।
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