जीआईपीवी: आंशिक रूप से पारदर्शी सौर मॉड्यूल के साथ बिल्डिंग-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स - बिल्डिंग-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स

भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स (बीआईपीवी) उन फोटोवोल्टिक सामग्रियों को संदर्भित करता है जो किसी भवन के आवरण के कुछ हिस्सों, जैसे छत, रोशनदान या अग्रभाग में पारंपरिक निर्माण सामग्री का स्थान लेती हैं। इसे नई इमारतों में प्राथमिक या द्वितीयक ऊर्जा स्रोत के रूप में तेज़ी से एकीकृत किया जा रहा है, और मौजूदा इमारतों को भी इसी तकनीक से पुनर्निर्मित किया जा सकता है। पारंपरिक गैर-एकीकृत प्रणालियों की तुलना में एकीकृत फोटोवोल्टिक्स का लाभ यह है कि प्रारंभिक लागत को निर्माण सामग्री और श्रम पर होने वाले खर्च को कम करके कम किया जा सकता है, जो आमतौर पर भवन के उस हिस्से के निर्माण के लिए आवश्यक होता है जिसे बीआईपीवी मॉड्यूल प्रतिस्थापित करते हैं। इसके अलावा, बीआईपीवी सौर प्रतिष्ठानों को व्यापक रूप से स्वीकार्य बनाता है जब भवन की सुंदरता एक विचारणीय बिंदु होती है और पारंपरिक, रैक-माउंटेड सौर पैनल इच्छित रूप को खराब कर देते हैं।

BAPV (बिल्डिंग-एप्लाइड फोटोवोल्टिक्स) शब्द का प्रयोग कभी-कभी उन फोटोवोल्टिक प्रणालियों के लिए किया जाता है जिन्हें किसी इमारत में रेट्रोफिट किया जाता है। अधिकांश बिल्डिंग-इंटीग्रेटेड सिस्टम वास्तव में BAPV ही होते हैं। कुछ निर्माता और डेवलपर नए निर्माण में BIPV और BAPV के बीच अंतर करते हैं।

भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक (BIPV) अनुप्रयोग 1970 के दशक में उभरे। एल्युमीनियम-फ़्रेम वाले फोटोवोल्टिक मॉड्यूल इमारतों पर लगाए गए या लगाए गए, आमतौर पर उन दूरदराज के इलाकों में स्थित जहाँ बिजली ग्रिड की पहुँच नहीं थी। 1980 के दशक में, छतों पर PV प्रणालियाँ स्थापित की जाने लगीं। ये PV प्रणालियाँ आमतौर पर बिजली ग्रिड से जुड़ी इमारतों और केंद्रीकृत बिजली संयंत्रों वाले क्षेत्रों में स्थापित की जाती थीं। 1990 के दशक में, भवन आवरण में एकीकरण के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए BIPV उत्पाद व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हो गए। 1998 में पैट्रिना आइफर्ट द्वारा "BIPV का आर्थिक मूल्यांकन" शीर्षक से लिखे गए डॉक्टरेट शोध प्रबंध में यह परिकल्पना की गई थी कि एक दिन नवीकरणीय ऊर्जा क्रेडिट (REC) के व्यापार में आर्थिक मूल्य होगा। 2011 में अमेरिकी राष्ट्रीय नवीकरणीय ऊर्जा प्रयोगशाला द्वारा BIPV के आर्थिक मूल्यांकन और संक्षिप्त इतिहास से पता चलता है कि BIPV स्थापना लागत के फोटोवोल्टिक प्रणालियों के बराबर प्रतिस्पर्धा करने से पहले अभी भी कई तकनीकी चुनौतियाँ बाकी हैं। हालाँकि, इस बात पर आम सहमति बनती जा रही है कि व्यापक व्यावसायीकरण के माध्यम से, BIPV प्रणालियाँ 2020 तक यूरोपीय शून्य ऊर्जा भवन (ZEB) लक्ष्य की रीढ़ बनेंगी। आशाजनक तकनीकी संभावनाओं के बावजूद, व्यापक रूप से अपनाने में सामाजिक बाधाएँ भी सामने आई हैं, जैसे निर्माण उद्योग की रूढ़िवादी संस्कृति और उच्च-घनत्व वाले शहरी नियोजन में एकीकरण। लेखक बताते हैं कि दीर्घकालिक अपनाने के लिए तकनीकी विकास के साथ-साथ प्रभावी नीतिगत निर्णयों पर भी निर्भर रहने की संभावना है।

अर्ध-पारदर्शी सौर मॉड्यूल, भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स (BIPV) को वास्तुकला और शहरी नियोजन में एकीकृत करने का एक दिलचस्प तरीका प्रदान करते हैं। सौर ऊर्जा उत्पादन का यह नया प्रकार भविष्य में वैश्विक बिजली उत्पादन का एक महत्वपूर्ण घटक बनने की प्रबल संभावना है।

आंशिक रूप से पारदर्शी सौर मॉड्यूल के साथ बिल्डिंग-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स ऊर्जा-कुशल इमारतों के निर्माण के लिए एक आकर्षक विकल्प है। यह तकनीक इमारत के बाहरी हिस्से में सुधार करते हुए ऊर्जा आपूर्ति लागत को कम करने में मदद कर सकती है।

इसके अलावा, अर्ध-पारदर्शी सौर पैनलों का उपयोग दिन के उजाले को इमारत के अंदर तक पहुँचाने के लिए किया जा सकता है। इससे न केवल ऊर्जा की बचत होती है, बल्कि कृत्रिम प्रकाश व्यवस्था की लागत भी कम होती है।

संक्षेप में, भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स (बीआईपीवी) नवीकरणीय ऊर्जा का एक अत्यधिक कुशल और बहुमुखी रूप है। इसमें भवनों की ऊर्जा आपूर्ति में स्थायी सुधार की क्षमता है।

जमीन पर स्थापित और छत पर स्थापित विद्युत संयंत्रों के लिए क्रिस्टलीय सिलिकॉन से बने सौर मॉड्यूल।

अनाकार क्रिस्टलीय सिलिकॉन पतली फिल्म सौर पीवी मॉड्यूल, जो खोखले, हल्के, लाल, नीले और पीले रंग के हो सकते हैं, का उपयोग कांच के अग्रभाग और पारदर्शी रोशनदान के रूप में किया जाता है।

लचीले मॉड्यूल पर CIGS-आधारित (कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड) पतली फिल्म कोशिकाएं, जो भवन आवरण तत्व पर लेमिनेट की जाती हैं, या CIGS कोशिकाएं सीधे भवन आवरण के सब्सट्रेट पर स्थापित की जाती हैं।

अंदर वर्गाकार कोशिकाओं के साथ डबल-ग्लेज़्ड सौर मॉड्यूल।

सपाट छत

अब तक का सबसे व्यापक समाधान एक लचीले पॉलीमर मॉड्यूल में एकीकृत एक अनाकार पतली-फिल्म सौर सेल है, जो सौर मॉड्यूल की बैकशीट और छत की झिल्ली के बीच एक चिपकने वाली फिल्म से जुड़ा होता है। कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड (CIGS) तकनीक का उपयोग करते हुए, एक अमेरिकी कंपनी ने एकल-परत TPO झिल्लियों में भवन-एकीकृत मॉड्यूल के लिए 17% की सेल दक्षता हासिल की है।

ढलान वाली छतें

सौर छत टाइलें (सिरेमिक) छत टाइलें होती हैं जिनमें एकीकृत सौर मॉड्यूल लगे होते हैं। सिरेमिक सौर छत टाइल का विकास और पेटेंट 2013 में एक डच कंपनी द्वारा किया गया था।

कई छत टाइलों के आकार के मॉड्यूल।

सौर शिंगल ऐसे मॉड्यूल होते हैं जो सामान्य शिंगल की तरह दिखते और काम करते हैं, लेकिन इनमें एक लचीली पतली फिल्म वाली कोशिका होती है।

ये इन्सुलेशन और झिल्लियों को पराबैंगनी विकिरण और पानी से होने वाले नुकसान से बचाकर छतों की सामान्य आयु बढ़ाते हैं। ये ओस बिंदु को छत की झिल्ली से ऊपर रखकर संघनन को भी रोकते हैं।

धातु की ढलवाँ छतों (संरचनात्मक और वास्तुशिल्पीय दोनों) को अब पी.वी. कार्यों से सुसज्जित किया जा रहा है, या तो एक स्वतंत्र लचीले मॉड्यूल को जोड़कर या फिर सीआईजीएस कोशिकाओं को सीधे सब्सट्रेट पर गर्म करके और वैक्यूम सील करके।

मुखौटा

मौजूदा इमारतों पर अग्रभाग लगाए जा सकते हैं, जिससे उन्हें बिल्कुल नया रूप मिल सकता है। ये मॉड्यूल मौजूदा संरचना के ऊपर इमारत के अग्रभाग पर लगाए जाते हैं, जिससे इमारत का आकर्षण और उसका पुनर्विक्रय मूल्य बढ़ सकता है।

ग्लेज़िंग

फोटोवोल्टिक खिड़कियाँ (अर्ध-)पारदर्शी मॉड्यूल हैं जो आमतौर पर काँच या इसी तरह की सामग्री से बने कई वास्तुशिल्प तत्वों, जैसे खिड़कियों और रोशनदानों की जगह ले सकती हैं। ये न केवल विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करती हैं, बल्कि अपने उत्कृष्ट तापीय रोधन गुणों और सौर विकिरण को नियंत्रित करने की क्षमता के कारण अतिरिक्त ऊर्जा बचत भी प्राप्त कर सकती हैं।

फोटोवोल्टिक काँच की खिड़कियाँ: आवासीय और व्यावसायिक भवनों में ऊर्जा-उत्पादन तकनीकों के एकीकरण ने अनुसंधान के अतिरिक्त क्षेत्रों को खोल दिया है जो अंतिम उत्पाद के समग्र सौंदर्य पर अधिक ज़ोर देते हैं। हालाँकि लक्ष्य उच्च दक्षता प्राप्त करना है, फोटोवोल्टिक खिड़कियों में नए विकास का उद्देश्य उपभोक्ताओं को काँच की पारदर्शिता का एक इष्टतम स्तर और/या रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला में से चुनने का विकल्प प्रदान करना भी है। विभिन्न रंगों के सौर पैनलों को व्यापक स्पेक्ट्रम से विशिष्ट तरंगदैर्ध्य श्रेणियों को इष्टतम रूप से अवशोषित करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। अर्ध-पारदर्शी, पेरोव्स्काइट और रंग-संवेदी सौर कोशिकाओं का उपयोग करके रंगीन फोटोवोल्टिक काँच का सफलतापूर्वक विकास किया गया है।

• रंगीन प्रकाश को अवशोषित और परावर्तित करने वाले प्लास्मोनिक सौर सेल फैब्री-पेरोट-एटलॉन तकनीक का उपयोग करके विकसित किए गए थे। इन कोशिकाओं में दो समानांतर, परावर्तक धातु फिल्में और उनके बीच एक ढांकता हुआ गुहा फिल्म होती है। दो इलेक्ट्रोड चांदी (Ag) से बने होते हैं, और उनके बीच की गुहा Sb₂O₃ से बनी होती है। ढांकता हुआ गुहा की मोटाई और अपवर्तनांक को बदलकर, सबसे अच्छा अवशोषित तरंगदैर्ध्य बदल दिया जाता है। अवशोषण परत कांच के रंग को स्पेक्ट्रम के विशिष्ट भाग से मिलाना जिसके लिए सेल की मोटाई और अपवर्तनांक सबसे उपयुक्त हैं, इसके रंग को तीव्र करके और फोटोकरंट नुकसान को कम करके सेल के सौंदर्यशास्त्र दोनों में सुधार करता है। लाल और नीले प्रकाश उपकरणों ने क्रमशः 34.7% और 24.6% की संप्रेषण हासिल की।
• पेरोव्स्काइट सौर सेल तकनीक को धात्विक नैनोवायर की मोटाई क्रमशः 8, 20 और 45 नैनोमीटर तक बदलकर लाल, हरे और नीले तरंगदैर्ध्य के लिए समायोजित किया जा सकता है। काँच के परावर्तन को उस तरंगदैर्ध्य के अनुसार समायोजित करके, जिसके लिए संबंधित सेल सबसे उपयुक्त है, 10.12%, 8.17% और 7.72% की अधिकतम ऊर्जा दक्षताएँ प्राप्त की गईं।
• रंग-संवेदी सौर सेल प्रकाश को पकड़ने और इसे उपयोगी ऊर्जा में बदलने के लिए तरल इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करते हैं, ठीक उसी तरह जैसे प्राकृतिक रंगद्रव्य पौधों में प्रकाश संश्लेषण को सक्षम करते हैं। जबकि क्लोरोफिल पत्तियों में हरे रंग के लिए जिम्मेदार विशिष्ट रंगद्रव्य है, अन्य प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले रंगद्रव्य, जैसे कैरोटीनॉयड और एंथोसायनिन, नारंगी और बैंगनी रंगों की विविधताएं उत्पन्न करते हैं। कॉन्सेप्सियन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने रंग-संवेदी रंगीन सौर सेल की व्यवहार्यता का प्रदर्शन किया है जो न केवल जीवंत दिखते हैं बल्कि चुनिंदा रूप से प्रकाश की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करते हैं। यह कम लागत वाला समाधान मैक्वी फल, काली मर्टल और पालक से प्राप्त प्राकृतिक रंगद्रव्यों को संवेदक के रूप में उपयोग करता है

पारदर्शी सौर सेल, सेल से विद्युत प्रवाह के लिए, कांच के शीशों के अंदर टिन ऑक्साइड की परत का उपयोग करते हैं। सेल में टाइटेनियम ऑक्साइड होता है जिस पर फोटोइलेक्ट्रिक डाई की परत चढ़ी होती है।

अधिकांश पारंपरिक सौर सेल बिजली उत्पन्न करने के लिए दृश्य और अवरक्त प्रकाश का उपयोग करते हैं। इसके विपरीत, यह अभिनव सौर सेल पराबैंगनी विकिरण का भी उपयोग करता है। यदि इसे पारंपरिक खिड़की के शीशे के स्थान पर इस्तेमाल किया जाए या मौजूदा शीशे के ऊपर लगाया जाए, तो स्थापना क्षेत्र बड़ा हो सकता है, जिससे बिजली उत्पादन, प्रकाश व्यवस्था और तापमान नियंत्रण जैसे संभावित अनुप्रयोग विकसित हो सकते हैं।

पारदर्शी फोटोवोल्टिक्स के लिए एक और शब्द "पारभासी फोटोवोल्टिक्स" है (ये आपतित प्रकाश के केवल आधे हिस्से को ही पार होने देते हैं)। अकार्बनिक फोटोवोल्टिक्स की तरह, कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स भी पारभासी हो सकते हैं।

गैर-तरंगदैर्ध्य चयनात्मक

कुछ गैर-तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक फोटोवोल्टिक प्रणालियाँ अपारदर्शी सौर कोशिकाओं के स्थानिक विभाजन के माध्यम से अर्ध-पारदर्शिता प्राप्त करती हैं। यह विधि किसी भी प्रकार के अपारदर्शी सौर सेल का उपयोग करती है और कई छोटी कोशिकाओं को एक पारदर्शी सब्सट्रेट पर वितरित करती है। यह विभाजन ऊर्जा रूपांतरण दक्षता को काफी कम कर देता है और संचरण को बढ़ाता है।

गैर-तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक फोटोवोल्टिक्स की एक अन्य शाखा, कम मोटाई या पर्याप्त बड़े बैंड गैप वाले, दृश्यमान रूप से अवशोषित करने वाले पतली-फिल्म अर्धचालकों का उपयोग करती है जो प्रकाश को गुजरने देते हैं। इसके परिणामस्वरूप अर्ध-पारदर्शी फोटोवोल्टिक्स बनते हैं, जिनमें स्थानिक रूप से खंडित अपारदर्शी सौर कोशिकाओं की तरह दक्षता और संचरण के बीच सीधा संतुलन होता है।

गैर-तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक फोटोवोल्टिक्स की एक अन्य शाखा, कम मोटाई या पर्याप्त रूप से बड़े बैंड गैप वाले, जो प्रकाश को पार करने देते हैं, दृश्यमान रूप से अवशोषित करने वाले पतली-फिल्म अर्धचालकों का उपयोग करती है। इसके परिणामस्वरूप अर्ध-पारदर्शी फोटोवोल्टिक्स बनते हैं, जिनमें स्थानिक रूप से खंडित अपारदर्शी सौर कोशिकाओं की तरह दक्षता और संचरण के बीच सीधा समझौता होता है।

तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक फोटोवोल्टिक्स

तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक फोटोवोल्टिक्स (WSPV) केवल UV और/या NIR प्रकाश को अवशोषित करने वाली सामग्रियों के उपयोग के माध्यम से पारदर्शिता प्राप्त करता है और इसे पहली बार 2011 में पेश किया गया था। उच्च संप्रेषण के बावजूद, कई समस्याओं के कारण ऊर्जा रूपांतरण क्षमताएँ कम होती हैं। इनमें छोटी एक्साइटन विसरण लंबाई, दक्षता से समझौता किए बिना पारदर्शी इलेक्ट्रोड का स्केलिंग, और WSPV में प्रयुक्त कार्बनिक पदार्थों की अंतर्निहित अस्थिरता के कारण समग्र जीवनकाल शामिल हैं।

पारदर्शी और पारभासी फोटोवोल्टिक्स में नवाचार

दृश्यमान स्पेक्ट्रम में अवशोषण करने वाली अत्यंत पतली सक्रिय परतों वाले गैर-तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक अर्ध-पारदर्शी कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स विकसित करने के शुरुआती प्रयासों में 1% से भी कम दक्षता प्राप्त हुई। हालाँकि, 2011 में, एक कार्बनिक क्लोरोएल्युमिनियम फथालोसायनिन दाता (ClAlPc) और एक फुलरीन ग्राही का उपयोग करने वाले पारदर्शी कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स ने पराबैंगनी और निकट-अवरक्त (NIR) स्पेक्ट्रम में लगभग 1.3% दक्षता और 65% से अधिक दृश्य प्रकाश संचरण के साथ अवशोषण का प्रदर्शन किया। 2017 में, MIT के शोधकर्ताओं ने कार्बनिक सौर कोशिकाओं पर पारदर्शी ग्राफीन इलेक्ट्रोड को सफलतापूर्वक निक्षेपित करने की एक विधि विकसित की, जिसके परिणामस्वरूप 61% दृश्य प्रकाश संचरण और 2.8-4.1% की बेहतर दक्षता प्राप्त हुई।

पेरोव्स्काइट सौर सेल, जो 25% से अधिक दक्षता के साथ अगली पीढ़ी के फोटोवोल्टिक्स के रूप में बहुत लोकप्रिय हैं, पारदर्शी फोटोवोल्टिक्स के लिए भी आशाजनक साबित हुए हैं। 2015 में, मिथाइलअमोनियम लेड ट्राइआयोडाइड पेरोव्स्काइट और सिल्वर नैनोवायर ग्रिड टॉप इलेक्ट्रोड वाले एक अर्ध-पारदर्शी पेरोव्स्काइट सौर सेल ने 800 एनएम तरंगदैर्ध्य पर 79% संचरण और लगभग 12.7% दक्षता प्रदर्शित की।