Monolithic Photoelectric-Photovoltaic (PEV) Hybrid Architecture Utilizing Oxygen-Activated GaAs NEA Photocathodes for Ultra-High Spectrum Utilization
यह अध्ययन एक मोनोलिथिक ZnO/ITO/Micro-Gap/GaAs-O2/GaAs/Mo हाइब्रिड आर्किटेक्चर का प्रस्ताव करता है और सैद्धांतिक रूप से उसे मान्य करता है, जो थर्मलइज़ेशन नुकसानों को दरकिनार करने के लिए एक ऑक्सीजन-सक्रिय GaAs NEA फोटोकैथोड का उपयोग करता है, और फोटोइलेक्ट्रिक एवं फोटोवोल्टिक धाराओं को सहक्रियात्मक रूप से संयोजित करके AM1.5G प्रदीप्ति के तहत 79.96% की रिकॉर्ड-तोड़ शक्ति रूपांतरण दक्षता प्राप्त करता है।
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सूर्य का प्रकाश एक शक्तिशाली संसाधन है, लेकिन हमारे वर्तमान सौर पैनल इसे पकड़ने में आश्चर्यजनक रूप से अक्षम हैं। सबसे सामान्य सौर सेल, जो सिलिकॉन जैसे पदार्थों से बने होते हैं, एक सख्त भौतिक नियम के तहत काम करते हैं जो इस बात को सीमित करता है कि वे कितनी ऊर्जा को बिजली में बदल सकते हैं। जब सूर्य से आने वाला एक उच्च-ऊर्जा वाला फोटॉन सेल से टकराता है, तो वह बिजली बनाने के लिए एक इलेक्ट्रॉन को बाहर निकाल देता है। हालांकि, यदि उस फोटॉन में उस कार्य को करने के लिए आवश्यक ऊर्जा से अधिक ऊर्जा होती है, तो अतिरिक्त ऊर्जा बिजली नहीं बनती है। इसके बजाय, वह तुरंत ऊष्मा (हीट) में बदल जाती है, जिससे पैनल गर्म हो जाता है और ऊर्जा व्यर्थ होकर नष्ट हो जाती है। यह मौलिक नुकसान यह सुनिश्चित करता है कि सबसे अच्छे एकल-परत वाले सौर सेल भी सैद्धांतिक रूप से सूर्य की केवल लगभग एक-तिहाई ऊर्जा ही पकड़ सकते हैं, जिससे बाकी ऊर्जा बेकार होकर निकल जाती है। दशकों से, वैज्ञानिक इस बाधा को तोड़ने के तरीके खोज रहे हैं, इस उम्मीद में कि वे ऐसे उपकरण बना सकें जो उच्च-ऊर्जा वाले हिस्से को ऊष्मा के रूप में खोए बिना सूर्य के पूरे स्पेक्ट्रम का दोहन कर सकें।
गोलिस्तान विश्वविद्यालय, ईरान के रहीम लोटफी ओरिमी के नेतृत्व में एक शोधकर्ता ने एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जो इस समस्या को हल करने का प्रयास करता है। यह डिज़ाइन बिजली उत्पन्न करने के दो अलग-अलग तरीकों को एक ही, स्टैक्ड (एक के ऊपर एक रखे गए) डिवाइस में संयोजित करता है। उनका कार्य, जो एक भौतिक प्रयोग के बजाय एक सैद्धांतिक सिमुलेशन है, एक हाइब्रिड आर्किटेक्चर का वर्णन करता है जो एक पारंपरिक फोटोवोल्टिक सेल के ठीक ऊपर एक फोटोइलेक्ट्रिक घटक की परत चढ़ाता है। एक मानक फोटोइलेक्ट्रिक सेटअप में, प्रकाश एक सतह से टकराता है और इलेक्ट्रॉनों को सामग्री से पूरी तरह बाहर निकाल देता है, जिससे वे एक छोटे से अंतराल (गैप) के पार जाकर करंट पैदा करते हैं। आमतौर पर, यह विधि केवल बहुत उच्च-ऊर्जा वाली पराबैंगनी (अल्ट्रावॉयलेट) रोशनी के साथ ही काम करती है क्योंकि सतह की सामग्री अपने इलेक्ट्रॉनों को बहुत मजबूती से थामे रखती है। शोधकर्ता का नवाचार सतह की सामग्री को एक विशेष प्रकार के गैलियम आर्सेनाइड में बदलना है जिसे ऑक्सीजन के साथ उपचारित किया गया है। यह उपचार ऊर्जा अवरोध को इतना कम कर देता है कि दृश्य प्रकाश (विज़िबल लाइट) भी इलेक्ट्रॉनों को मुक्त कर सकता है, जिससे यह उपकरण पहले की तुलना में सौर स्पेक्ट्रम के बहुत व्यापक दायरे का दोहन करने में सक्षम होता है।
इस उपकरण को एक मोनोलिथिक स्टैक के रूप में बनाया गया है, जिसका अर्थ है कि सभी परतें एक सटीक अनुक्रम में एक-दूसरे के ऊपर बनाई गई हैं। सबसे ऊपर एक पारदर्शी परत है जो प्रकाश को अंदर आने देती है, उसके बाद एक सूक्ष्म निर्वात अंतराल (वैक्यूम गैप) है, और फिर ऑक्सीजन-सक्रियित गैलियम आर्सेनाइड की सतह है। इसके नीचे मुख्य सौर सेल का शरीर है, जो गैलियम आर्सेनाइड से ही बना है। इसका संचालन कार्यों के एक चतुर विभाजन पर निर्भर करता है। जब सूर्य का प्रकाश ऊपर से टकराता है, तो उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉन उपचारित सतह से टकराते हैं और छोटे से अंतराल के पार इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकाल देते हैं, जिससे फोटोइलेक्ट्रिक करंट उत्पन्न होता है। शेष प्रकाश, जो शीर्ष परत से गुजर चुका होता है, उपकरण के निचले हिस्से में चला जाता है। वहां, इसे नीचे स्थित सामग्री द्वारा अवशोषित किया जाता है ताकि पारंपरिक फोटोवोल्टिक करंट उत्पन्न किया जा सके। चूंकि दोनों खंड एक सीरीज़ सर्किट में जुड़े हुए हैं, इसलिए निचले खंड का वोल्टेज इलेक्ट्रॉनों को अंतराल के पार खींचने में मदद करता है, जबकि दोनों प्रक्रियाओं से प्राप्त करंट मिलकर बिजली का एक बहुत अधिक प्रवाह बनाते हैं।
गहन कंप्यूटर मॉडलिंग के माध्यम से, शोधकर्ता ने गणना की कि यह विशिष्ट व्यवस्था ऐसे प्रदर्शन स्तर प्राप्त कर सकती है जो एक एकल-परत वाले सेल के लिए लगभग असंभव लगते हैं। उनके सिमुलेशन ने दिखाया कि यह उपकरण 63.98 मिलीएम्पीयर प्रति वर्ग सेंटीमीटर का कुल शॉर्ट-सर्किट करंट डेंसिटी उत्पन्न कर सकता है। यह कुल योग 34.50 मिलीएम्पीयर (फोटोइलेक्ट्रिक ऊपरी परत से) और 29.48 मिलीएम्पीयर (फोटोवोल्टिक निचली परत से) का योग है। इस डिज़ाइन ने 1.454 वोल्ट का उच्च वोल्टेज बनाए रखने में भी सफलता प्राप्त की। जब इन कारकों को 85.96 प्रतिशत के असाधारण कुशल फिल फैक्टर के साथ जोड़ा जाता है, तो मॉडल 79.96 प्रतिशत की पावर कन्वर्जन एफिशिएंसी (ऊर्जा रूपांतरण दक्षता) की भविष्यवाणी करता है। यह आंकड़ा मानक सौर सेल की सैद्धांतिक सीमा से दोगुने से भी अधिक है, जो यह सुझाव देता है कि यदि ऐसा उपकरण बनाया जा सके, तो यह उपलब्ध सौर ऊर्जा के लगभग 80 प्रतिशत को पकड़ सकता है।
यह अध्ययन हाइब्रिड सौर सेल बनाने के पिछले प्रयासों की सीमाओं को स्पष्ट रूप से चुनौती देता है। पुराने डिज़ाइन अक्सर इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जित करने के लिए कैल्शियम जैसे प्रतिक्रियाशील धातु कैथोड पर निर्भर करते थे। हालांकि, शोधकर्ता ने पाया कि ये धातु सतहें रासायनिक रूप से अस्थिर थीं और इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता थी, जिससे उनकी उपयोगिता प्रकाश के एक संकीर्ण बैंड तक ही सीमित थी। धातु को ऑक्सीजन-सक्रियित गैलियम आर्सेनाइड से बदलकर, टीम ने प्रदर्शित किया कि उत्सर्जन थ्रेशोल्ड को सेमीकंडक्टर की ऊर्जा के अनुरूप कम किया जा सकता है। यह परिवर्तन प्रभावी रूप से उस बाधा को हटा देता है जो पहले दृश्य प्रकाश को फोटोइलेक्ट्रिक करंट में योगदान देने से रोकती थी। सिमुलेशन संकेत देते हैं कि सामग्री का यही चुनाव उस अल्ट्रा-हाई स्पेक्ट्रम उपयोगिता को अनलॉक करने की कुंजी है जिसका यह डिज़ाइन वादा करता है।
हालांकि परिणाम प्रभावशाली हैं, लेकिन वे वर्तमान में सैद्धांतिक भौतिकी और संख्यात्मक सिमुलेशन के दायरे में हैं। लेखक ने उन्नत ऑप्टिकल मॉडल और इलेक्ट्रिकल समीकरणों का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया कि इस विशिष्ट सामग्री के स्टैक में प्रकाश और इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करेंगे। 79.96 प्रतिशत की उच्च दक्षता इन मॉडलों पर आधारित एक गणना किया गया परिणाम है, न कि किसी भौतिक प्रोटोटाइप से लिया गया माप। यह शोध एक मजबूत संरचनात्मक और ऊष्मप्रवैगिकी (थर्मोडायनामिक) ढांचा स्थापित करता है, जो यह दिखाता है कि भौतिकी इतने उच्च प्रदर्शन की अनुमति देती है, लेकिन यह अभी तक यह पुष्टि नहीं करता है कि इन सटीक गुणों के साथ एक वास्तविक दुनिया का उपकरण बनाया जा सकता है। यह कार्य एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' के रूप में कार्य करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि एक फोटोइलेक्ट्रिक उत्सर्जक और एक फोटोवोल्टिक अवशोषक के बीच के इंटरफेस को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, उन थर्मल नुकसानों को दरकिनार करना संभव है जिन्होंने लंबे समय से सौर तकनीक को पीछे रखा है। यदि भविष्य का इंजीनियरिंग इन सिमुलेशन को भौतिक वास्तविकता में बदलने में सक्षम होता है, तो अल्ट्रा-हाई-एफिशिएंसी सौर ऊर्जा कन्वर्टर का मार्ग काफी स्पष्ट हो जाएगा।
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