स्रोत: cei.washington.edu/
एक पेरोव्स्काइट क्या है
एक पेरोव्स्काइट एक ऐसी सामग्री है जिसमें खनिज कैल्शियम टाइटेनियम ऑक्साइड के समान क्रिस्टल संरचना होती है, जो पहली बार खोजा गया पेरोव्स्काइट क्रिस्टल है। आम तौर पर, पेरोसाइट यौगिकों का एक रासायनिक सूत्र होता है ABX3, जहां 'ए' और 'बी' धनायनों का प्रतिनिधित्व करते हैं और एक्स एक आयन है जो दोनों को बंधता है। पेरोसाइट संरचनाओं को बनाने के लिए बड़ी संख्या में विभिन्न तत्वों को एक साथ जोड़ा जा सकता है। इस संरचनागत लचीलेपन का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिक विभिन्न प्रकार की भौतिक, ऑप्टिकल और विद्युत विशेषताओं के लिए पेरोसाइट क्रिस्टल को डिज़ाइन कर सकते हैं। पेरोव्स्काइट क्रिस्टल आज अल्ट्रासाउंड मशीनों, मेमोरी चिप्स और अब - सौर कोशिकाओं में पाए जाते हैं।
एक पेरोसाइट क्रिस्टल संरचना का एक योजनाबद्ध। (विकिमीडिया कॉमन्स)
पेरोव्स्काइट्स के स्वच्छ ऊर्जा अनुप्रयोग
सभी फोटोवोल्टिक सौर सेल अर्धचालकों पर भरोसा करते हैं - बिजली के इंसुलेटर जैसे कांच और धातु के कंडक्टर जैसे तांबे के बीच मध्य जमीन में सामग्री - ऊर्जा को प्रकाश से बिजली में बदलने के लिए। सूर्य से प्रकाश अर्धचालक पदार्थ में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करता है, जो इलेक्ट्रोड के संचालन में प्रवाहित होते हैं और विद्युत प्रवाह उत्पन्न करते हैं।
1950 के दशक से सिलिकॉन सौर कोशिकाओं में उपयोग की जाने वाली प्राथमिक अर्धचालक सामग्री रही है, क्योंकि इसके अर्धचालक गुण सूर्य की किरणों के स्पेक्ट्रम के साथ अच्छी तरह से संरेखित होते हैं और यह अपेक्षाकृत प्रचुर और स्थिर होता है। हालांकि, पारंपरिक सौर पैनलों में उपयोग किए जाने वाले बड़े सिलिकॉन क्रिस्टल के लिए एक महंगी, बहु-चरणीय निर्माण प्रक्रिया की आवश्यकता होती है जो बहुत अधिक ऊर्जा का उपयोग करती है। एक विकल्प की तलाश में, वैज्ञानिकों ने सिलिकॉन के समान गुणों वाले अर्धचालक बनाने के लिए पेरोव्स्काइट्स की ट्यूनेबिलिटी का उपयोग किया है। पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं को लागत और ऊर्जा के एक अंश के लिए मुद्रण जैसी सरल, योगात्मक जमाव तकनीकों का उपयोग करके निर्मित किया जा सकता है। पेरोव्स्काइट्स की संरचनागत लचीलेपन के कारण, उन्हें आदर्श रूप से सूर्य के स्पेक्ट्रम से मेल खाने के लिए भी ट्यून किया जा सकता है।
2012 में, शोधकर्ताओं ने पहली बार पता लगाया कि प्रकाश-अवशोषित परत के रूप में लेड हलाइड पेरोव्स्काइट्स का उपयोग करके 10% से अधिक प्रकाश फोटॉन-से-इलेक्ट्रॉन रूपांतरण क्षमता के साथ एक स्थिर, पतली-फिल्म पेरोसाइट सौर सेल कैसे बनाया जाए। तब से, पेरोसाइट सौर कोशिकाओं की सूर्य के प्रकाश-से-विद्युत-शक्ति रूपांतरण दक्षता आसमान छू गई है, प्रयोगशाला रिकॉर्ड 25.2% पर खड़ा है। शोधकर्ता पारंपरिक सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के साथ पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं को भी जोड़ रहे हैं - इन "सिलिकॉन पर पेरोसाइट" अग्रानुक्रम कोशिकाओं के लिए रिकॉर्ड क्षमता वर्तमान में 29.1% (पारंपरिक सिलिकॉन कोशिकाओं के लिए 27% के रिकॉर्ड को पार कर रही है) और तेजी से बढ़ रही है। सेल दक्षता में इस तेजी से वृद्धि के साथ, पेरोसाइट सौर सेल और पेरोसाइट टेंडेम सौर सेल जल्द ही पारंपरिक सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के सस्ते, अत्यधिक कुशल विकल्प बन सकते हैं।
पेरोसाइट सोलर सेल का क्रॉस-सेक्शन। (स्वच्छ ऊर्जा संस्थान)
कुछ वर्तमान शोध उद्देश्य क्या हैं?
जबकि सिलिकॉन टैंडेम पर पेरोव्स्काइट सहित पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं का दुनिया भर में दर्जनों कंपनियों द्वारा व्यावसायीकरण किया जा रहा है, अभी भी बुनियादी विज्ञान और इंजीनियरिंग चुनौतियों का समाधान करना है जो उनके प्रदर्शन, विश्वसनीयता और विनिर्माण क्षमता में सुधार कर सकते हैं।
कुछ पेरोव्स्काइट शोधकर्ता पेरोव्स्काइट में दोषों को चिह्नित करके रूपांतरण क्षमता को आगे बढ़ाना जारी रखते हैं। जबकि पेरोव्स्काइट अर्धचालक उल्लेखनीय रूप से दोष-सहिष्णु हैं, दोष अभी भी-नकारात्मक रूप से प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं - विशेष रूप से सक्रिय परत की सतह पर होने वाले। अन्य शोधकर्ता नए पेरोसाइट रासायनिक योगों की खोज कर रहे हैं, दोनों विशिष्ट अनुप्रयोगों (जैसे अग्रानुक्रम सेल स्टैक) के लिए अपने इलेक्ट्रॉनिक गुणों को ट्यून करने के लिए, या उनकी स्थिरता और जीवनकाल में और सुधार करते हैं।
शोधकर्ता नए सेल डिजाइन, पर्यावरण से पेरोव्स्काइट्स की रक्षा के लिए नई एनकैप्सुलेशन रणनीतियों पर भी काम कर रहे हैं, और बुनियादी गिरावट के रास्ते को समझने के लिए ताकि वे यह अनुमान लगाने के लिए त्वरित उम्र बढ़ने के अध्ययन का उपयोग कर सकें कि छतों पर पेरोसाइट सौर सेल कैसे रहेंगे। अन्य लोग तेजी से विभिन्न प्रकार की निर्माण प्रक्रियाओं की खोज कर रहे हैं, जिसमें बड़े पैमाने पर समाधान मुद्रण विधियों को स्थापित करने के लिए पेरोसाइट "स्याही" को कैसे अनुकूलित किया जाए। अंत में, जबकि सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाले पेरोव्स्काइट्स आज थोड़ी मात्रा में सीसे के साथ बनाए जाते हैं, शोधकर्ता सीसा विषाक्तता से जुड़ी चिंताओं को कम करने के लिए वैकल्पिक रचनाओं और नई एनकैप्सुलेशन रणनीतियों की भी खोज कर रहे हैं।
सीईआई पेरोव्स्काइट्स को कैसे आगे बढ़ा रहा है?
पेरोव्स्काइट क्रिस्टल अक्सर परमाणु-पैमाने पर दोष प्रदर्शित करते हैं जो सौर रूपांतरण दक्षता को कम कर सकते हैं। सीईआई के मुख्य वैज्ञानिक और रसायन विज्ञान के प्रोफेसर डेविड जिंजर ने इन दोषों को ठीक करने के लिए विभिन्न रासायनिक यौगिकों के साथ पेरोव्स्काइट्स का इलाज करते हुए "निष्क्रियता" तकनीक विकसित की है। लेकिन जब पेरोसाइट क्रिस्टल सौर कोशिकाओं में इकट्ठे होते हैं, तो वर्तमान-संग्रहित इलेक्ट्रोड अतिरिक्त दोष पैदा कर सकते हैं। 2019 में, जॉर्जिया टेक में जिंजर और सहयोगियों ने अमेरिकी ऊर्जा विभाग के सौर ऊर्जा प्रौद्योगिकी कार्यालय (एसईटीओ) से नई निष्क्रियता रणनीतियों और नई चार्ज संग्रह सामग्री विकसित करने के लिए वित्त पोषण प्राप्त किया, जिससे पेरोसाइट सौर कोशिकाओं को उनकी पूर्ण दक्षता क्षमता तक पहुंचने की इजाजत मिलती है, जबकि अभी भी संगत रहती है कम लागत के निर्माण के साथ।
रसायन विज्ञान के प्रोफेसर डैनियल गैमेलिन और उनके समूह का लक्ष्य पारंपरिक सिलिकॉन कोशिकाओं के लिए 33% रूपांतरण की सैद्धांतिक सीमा को दरकिनार करते हुए, अधिक कुशलता से नीली रोशनी के उच्च-ऊर्जा फोटॉनों को इकट्ठा करने के लिए पेरोसाइट कोटिंग्स के साथ सिलिकॉन सौर कोशिकाओं को संशोधित करना है। गैमेलिन और उनकी टीम ने पेरोव्स्काइट क्वांटम डॉट्स विकसित किए हैं - छोटे कण मानव बाल से हजारों गुना छोटे - जो उच्च ऊर्जा फोटॉन को अवशोषित कर सकते हैं और दो बार कम ऊर्जा वाले फोटॉन उत्सर्जित कर सकते हैं, एक प्रक्रिया जिसे "क्वांटम कटिंग" कहा जाता है। सौर सेल द्वारा अवशोषित प्रत्येक फोटॉन एक इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है, इसलिए पेरोसाइट क्वांटम डॉट कोटिंग नाटकीय रूप से रूपांतरण क्षमता को बढ़ा सकती है।
गैमेलिन और उनकी टीम ने तकनीक का व्यवसायीकरण करने के लिए ब्लूडॉट फोटोनिक्स नामक एक स्पिनऑफ कंपनी बनाई है। SETO से वित्त पोषण के साथ, Gamelin और BlueDot बड़े क्षेत्र के सौर कोशिकाओं के लिए और पारंपरिक सिलिकॉन सौर कोशिकाओं को बढ़ाने के लिए पेरोसाइट सामग्री की पतली फिल्म बनाने के लिए बयान तकनीक विकसित कर रहे हैं।
केमिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर ह्यूग हिलहाउस पर्कोव्साइट्स के अनुसंधान में सहायता के लिए मशीन लर्निंग एल्गोरिदम का उपयोग कर रहे हैं। हाई-स्पीड वीडियो द्वारा कैप्चर की गई फोटोल्यूमिनेशन का उपयोग करते हुए, हिलहाउस और उनका समूह लंबी अवधि की स्थिरता के लिए विभिन्न प्रकार के हाइब्रिड पेरोव्स्काइट्स का परीक्षण कर रहे हैं। ये प्रयोग विशाल डेटा सेट उत्पन्न करते हैं, लेकिन मशीन लर्निंग का उपयोग करके, उनका उद्देश्य पेरोसाइट सौर कोशिकाओं के लिए गिरावट का एक भविष्य कहनेवाला मॉडल तैयार करना है। यह मॉडल उन्हें दीर्घकालिक स्थिरता के लिए एक पेरोसाइट सौर सेल के रासायनिक श्रृंगार और संरचना को अनुकूलित करने में मदद कर सकता है - व्यावसायीकरण के लिए एक महत्वपूर्ण बाधा।
वाशिंगटन क्लीन एनर्जी टेस्टबेड्स में, सीईआई द्वारा संचालित एक ओपन-एक्सेस लैब सुविधा, शोधकर्ता और उद्यमी पेरोसाइट सोलर सेल जैसी तकनीकों को विकसित करने, परीक्षण करने और स्केल करने के लिए अत्याधुनिक उपकरणों का उपयोग कर सकते हैं। टेस्टबेड पर रोल टू रोल प्रिंटर का उपयोग करके, पेरोसाइट स्याही को कम तापमान पर लचीले सब्सट्रेट पर मुद्रित किया जा सकता है। टेस्टबेड तकनीकी निदेशक जे। डेविन मैकेंज़ी, सामग्री विज्ञान के प्रोफेसर [जीजी] amp; UW में इंजीनियरिंग और मैकेनिकल इंजीनियरिंग, उच्च-थ्रूपुट और निम्न कार्बन-पदचिह्न निर्माण के लिए सामग्री और तकनीकों का विशेषज्ञ है। उनके समूह की सबसे सक्रिय परियोजनाओं में से एक, जिसे एसईटीओ द्वारा भी वित्त पोषित किया गया है, सीटू उपकरणों में विकसित हो रहा है जो पेरोव्स्काइट क्रिस्टल के विकास को माप सकते हैं क्योंकि वे रोल-टू-रोल प्रिंटिंग के दौरान तेजी से जमा किए जा रहे हैं। विकास के लिए संयुक्त केंद्र के समर्थन से और पृथ्वी प्रचुर सामग्री का अनुसंधान (JCDREAM), मैकेंज़ी का समूह भी सूर्य के प्रकाश को सेल में प्रवेश करने से रोके बिना पेरोसाइट सौर कोशिकाओं से विद्युत प्रवाह को बाहर निकालने के लिए नए इलेक्ट्रोड विकसित करने के लिए दुनिया के उच्चतम रिज़ॉल्यूशन प्रिंटर का उपयोग कर रहा है।
वाशिंगटन क्लीन एनर्जी टेस्टबेड्स के तकनीकी निदेशक जे. डेविन मैकेंजी लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए टेस्टबेड के मल्टी-स्टेज रोल-टू-रोल प्रिंटर का प्रदर्शन करते हैं। (स्वच्छ ऊर्जा संस्थान)