नया सौर सेल रिकॉर्ड - नया सौर सेल रिकॉर्ड

प्रकाशित: 10 अगस्त, 2020 / अद्यतन: 17 अगस्त, 2020 - लेखक: कोनराड वोल्फेंस्टीन

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अग्रानुक्रम में उच्च दक्षता - नया सौर सेल रिकॉर्ड

फोटोवोल्टिक अनुसंधान सौर कोशिकाओं की दक्षता को और बढ़ाने के लिए कड़ी मेहनत कर रहा है। तेजी से, ध्यान अग्रानुक्रम फोटोवोल्टिक्स पर है, जिसमें प्रकाश को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते समय सौर स्पेक्ट्रम का और भी अधिक कुशलता से उपयोग करने के लिए शक्तिशाली सौर सेल सामग्रियों को विभिन्न संयोजनों में एक साथ लाया जाता है। फ्राउनहोफर आईएसई ने अब सीधे सिलिकॉन पर विकसित III-V/Si टेंडेम सौर सेल के लिए 25.9 प्रतिशत दक्षता का एक नया रिकॉर्ड दर्ज किया है। इसका निर्माण पहली बार लागत प्रभावी सिलिकॉन सब्सट्रेट पर किया गया था - जो टेंडेम फोटोवोल्टिक्स के लिए किफायती समाधान की राह पर एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है।

10 सेमी व्यास वाले सिलिकॉन सब्सट्रेट पर कई III-V अग्रानुक्रम सौर सेल - © फ्रौनहोफर आईएसई - फोटो: मार्कस फेइफेल

फ्रौनहोफर इंस्टीट्यूट फॉर सोलर एनर्जी सिस्टम्स (आईएसई) कई वर्षों से कई सौर कोशिकाओं पर काम कर रहा है, जिसमें सूर्य के प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य को बिजली में परिवर्तित करने के लिए दो या तीन उप-कोशिकाओं को एक के ऊपर एक व्यवस्थित किया जाता है। सिलिकॉन स्पेक्ट्रम के अवरक्त भाग के लिए एक अवशोषक के रूप में उपयुक्त है और इसके ऊपर कुछ माइक्रोमीटर मोटी III-V अर्धचालकों की परतें लगाई जाती हैं, ये आवर्त सारणी के समूह III और V से सामग्री हैं, जो पराबैंगनी, दृश्यमान और परिवर्तित करती हैं निकट अवरक्त प्रकाश बिजली में अधिक कुशलता से चलता है। शुद्ध III-V सेमीकंडक्टर सौर सेल पहले से ही अंतरिक्ष में और सांद्रक फोटोवोल्टिक में उपयोग किए जा रहे हैं। सबसे कम उप-सेल के रूप में सिलिकॉन के संयोजन के साथ अधिक लागत प्रभावी प्रक्रियाओं के माध्यम से, टेंडेम तकनीक को भविष्य में व्यापक फोटोवोल्टिक के लिए भी सुलभ बनाया जाना चाहिए। हालाँकि, तब तक अभी भी एक लंबा रास्ता तय करना बाकी है।

सीधे सिलिकॉन पर विकसित III-V/Si टेंडेम सौर कोशिकाओं के लिए 25.9 प्रतिशत

III-V और सिलिकॉन सौर कोशिकाओं का संयोजन बनाने के लिए अलग-अलग दृष्टिकोण हैं। 2019 के बाद से, फ्राउनहोफर आईएसई ने एक अग्रानुक्रम सौर सेल के लिए 34.1 प्रतिशत दक्षता (अब 34.5 प्रतिशत) का विश्व रिकॉर्ड मूल्य रखा है जिसमें III-V अर्धचालक परतों को गैलियम आर्सेनाइड सब्सट्रेट से सिलिकॉन में स्थानांतरित किया जाता है, परतें सो से गुजरती हैं -वेफर कहलाते हैं -बॉन्ड जुड़े हुए हैं। यह तकनीक कुशल लेकिन महंगी है। फ्रौनहोफर आईएसई कई वर्षों से अधिक प्रत्यक्ष विनिर्माण प्रक्रियाओं पर काम कर रहा है जिसमें III-V परतें सिलिकॉन सौर सेल पर जमा या एपिटैक्सियलाइज़ की जाती हैं। सभी परतों में उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता बनाए रखना महत्वपूर्ण है - एक बड़ी चुनौती। सीधे सिलिकॉन पर विकसित ऐसे III-V/Si टेंडेम सौर सेल के लिए 25.9 प्रतिशत की एक नया विश्व रिकॉर्ड दक्षता हासिल की गई है। फ्रौनहोफर आईएसई वैज्ञानिक मार्कस फेइफेल हाल ही में 47वें आईईईई फोटोवोल्टिक विशेषज्ञ सम्मेलन में अपनी सफलता प्रस्तुत करने में सक्षम थे, जो वर्तमान में कई सम्मेलनों की तरह ऑनलाइन हो रहा है, और उन्हें हाइब्रिड टेंडेम सोलर सेल श्रेणी में छात्र पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। "सेल की जटिल आंतरिक संरचना बाहर से दिखाई नहीं देती है क्योंकि सभी अवशोषक एक दूसरे से जुड़े हुए हैं और अतिरिक्त क्रिस्टल परतों द्वारा विद्युत रूप से जुड़े हुए हैं," युवा सौर सेल शोधकर्ता बताते हैं, जिन्होंने अपने काम के परिणाम को 24.3 से बढ़ाकर 24.3 कर दिया है। एक साल से भी कम समय में 25.9 प्रतिशत का सुधार हो सकता है। वह आगे बताते हैं, "यह सफलता कई कोशिकाओं के भीतर एक पतली परत को प्रतिस्थापित करके हासिल की गई थी।" "हमारी कोशिकाओं के सावधानीपूर्वक विश्लेषण से पता चला कि इस परत ने विद्युत संचालन में बाधा उत्पन्न की है।"

फ्रौनहोफर शोधकर्ता टीयू इलमेनौ, फिलिप्स यूनिवर्सिटी के साथ मिलकर 2007 से छोटे चरणों में प्रौद्योगिकी विकसित कर रहे हैं। मारबर्ग और कंपनी ऐक्सट्रॉन, विशेष एपिटेक्सी सिस्टम स्थापित किए गए और संरचना की हर एक परत की जांच की गई। इन विकासों को संघीय अनुसंधान मंत्रालय बीएमबीएफ द्वारा "III-V-Si" और "मेहरसी" परियोजनाओं के हिस्से के रूप में वित्त पोषित किया गया था। नए अग्रानुक्रम सौर सेल का एक विशेष आकर्षण यह है कि III-V परतों को रासायनिक-यांत्रिक रूप से पॉलिश किए गए सब्सट्रेट पर नहीं उगाया गया था, जैसा कि पहले होता था, लेकिन एक सिलिकॉन वेफर पर, जिसे क्रिस्टल को देखने के बाद केवल एक सरल प्रक्रिया में उपयोग किया जाता है। सस्ती पीसने और नक़्क़ाशी प्रक्रियाओं का इलाज किया गया। यूरोपीय "सीटासोल" परियोजना के हिस्से के रूप में, डेनिश कंपनी टॉप्सिल ने इन सिलिकॉन वेफर्स को विकसित किया, जिससे नए मल्टीपल-जंक्शन सौर कोशिकाओं के किफायती उत्पादन की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया गया। भविष्य में, उद्देश्य दक्षता को और भी अधिक बढ़ाना और परतों को और भी तेजी से जमा करना होगा, उच्च थ्रूपुट के साथ और इसलिए अधिक लागत प्रभावी ढंग से, ऊर्जा संक्रमण के लिए आवश्यक फोटोवोल्टिक्स में महत्वपूर्ण योगदान देने के उद्देश्य से - विस्तार हासिल किया जा सकता है.

ऊर्जा परिवर्तन के लिए प्रमुख प्रौद्योगिकी

सौर सेल से बिजली अब दुनिया के कई हिस्सों में ऊर्जा उत्पादन का सबसे सस्ता रूप है। प्रोफेसर डॉ. कहते हैं, "यूरोपीय फोटोवोल्टिक अनुसंधान में ऊर्जा संक्रमण के लिए इस प्रमुख प्रौद्योगिकी की दक्षता को और विकसित करने के लिए कई अवधारणाएं प्रगति पर हैं।" स्टीफ़न ग्लुन्ज़, फोटोवोल्टिक्स के प्रमुख - अनुसंधान। »हम न केवल सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के उत्पादन को और अधिक टिकाऊ और लागत प्रभावी बनाने पर काम कर रहे हैं, बल्कि साथ ही हम और भी अधिक दक्षता प्राप्त करने के लिए अन्य अर्धचालक सामग्रियों के साथ सिद्ध सिलिकॉन का उपयोग करने के नए तरीके तलाश रहे हैं। हम इसे टेंडेम फोटोवोल्टिक्स के साथ हासिल कर सकते हैं।` टेंडेम फोटोवोल्टिक्स न केवल बिजली उत्पादन के भविष्य का रास्ता खोलता है, ये सौर सेल - अपने उच्च वोल्टेज के कारण - इलेक्ट्रोलिसिस के लिए भी आदर्श हैं, पानी का हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में प्रत्यक्ष अपघटन। इसलिए यह तकनीक ऊर्जा भंडारण उपकरण और ऊर्जा संक्रमण के लिए एक महत्वपूर्ण बिल्डिंग ब्लॉक के रूप में हाइड्रोजन के उत्पादन में भी योगदान देती है।

III-V/Si मल्टीपल जंक्शन सौर सेल की परत संरचना - © फ्रौनहोफर ISE

AM 1.5g वर्णक्रमीय स्थितियों के तहत III-V/Si मल्टीपल सोलर सेल की परत संरचना, क्वांटम दक्षता और IV विशेषताएँ

अग्रानुक्रम में उच्च दक्षता - नया सौर सेल रिकॉर्ड

फोटोवोल्टिक अनुसंधान सौर कोशिकाओं की दक्षता को लगातार बढ़ाने के लिए कड़ी मेहनत कर रहा है। तेजी से, ध्यान अग्रानुक्रम फोटोवोल्टिक्स पर है, जिसमें प्रकाश को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने में सौर स्पेक्ट्रम का और भी अधिक कुशलता से उपयोग करने के लिए उच्च प्रदर्शन वाले सौर सेल सामग्रियों को विभिन्न संयोजनों में एक साथ लाया जाता है। फ्रौनहोफर आईएसई अब सीधे सिलिकॉन पर विकसित III-V/Si टेंडेम सौर सेल के लिए 25.9 प्रतिशत की नई रिकॉर्ड दक्षता की रिपोर्ट कर रहा है। पहली बार, इसे कम लागत वाले सिलिकॉन सब्सट्रेट पर उत्पादित किया गया था - टेंडेम फोटोवोल्टिक्स के लिए किफायती समाधान के रास्ते पर एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर।

10 सेमी व्यास वाले सिलिकॉन सब्सट्रेट पर कई III-V अग्रानुक्रम सौर सेल - © फ्रौनहोफर आईएसई - फोटो: मार्कस फेइफेल

फ्रौनहोफर इंस्टीट्यूट फॉर सोलर एनर्जी सिस्टम्स आईएसई कई वर्षों से मल्टी-जंक्शन सौर कोशिकाओं पर काम कर रहा है जिसमें सूर्य के प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य को बिजली में परिवर्तित करने के लिए दो या तीन आंशिक कोशिकाओं को एक के ऊपर एक व्यवस्थित किया जाता है। सिलिकॉन स्पेक्ट्रम के अवरक्त भाग के लिए एक अवशोषक के रूप में उपयुक्त है, और III-V अर्धचालकों की परतें, आवर्त सारणी के समूह III और V की सामग्री, जो पराबैंगनी, दृश्य और निकट-अवरक्त प्रकाश को अधिक कुशलता से जमा की गई बिजली में परिवर्तित करती है। इसके शीर्ष पर. शुद्ध III-V सेमीकंडक्टर सौर सेल पहले से ही अंतरिक्ष में और सांद्रक फोटोवोल्टिक में उपयोग किए जा रहे हैं। सबसे कम उप-सेल के रूप में सिलिकॉन के संयोजन में अधिक लागत प्रभावी प्रक्रियाओं के माध्यम से, टेंडेम तकनीक को भविष्य में व्यापक-आधारित फोटोवोल्टिक के लिए सुलभ बनाया जाना है। हालाँकि, तब तक अभी भी एक लंबा रास्ता तय करना बाकी है।

सीधे सिलिकॉन पर विकसित III-V/Si टेंडेम सौर कोशिकाओं के लिए 25.9 प्रतिशत

III-V और सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के संयोजन का उत्पादन करने के लिए अलग-अलग दृष्टिकोण हैं। उदाहरण के लिए, 2019 के बाद से, Fraunhofer Ise ने एक टेंडेम सौर सेल के लिए 34.1 प्रतिशत दक्षता (अब 34.5 प्रतिशत) का विश्व रिकॉर्ड रखा, जिसमें III-V अर्धचालक परतों को एक गैलियम आर्सेनाइड सब्सट्रेट से सिलिकॉन में स्थानांतरित किया जाता है, जिसमें लिग की परतों से जुड़ा होता है। तथाकथित वेफर बॉन्ड। यह तकनीक कुशल लेकिन महंगी है। इस कारण से, Fraunhofer Ise कई वर्षों से अधिक प्रत्यक्ष विनिर्माण प्रक्रियाओं पर काम कर रहा है जिसमें III-V परतें एक सिलिकॉन सौर सेल पर जमा या एपिटैक्सेड हैं। यहां, सभी परतों की एक उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता बनाए रखने के लिए यह महत्वपूर्ण है - एक बड़ी चुनौती। 25.9 प्रतिशत की एक नई विश्व रिकॉर्ड दक्षता अब सिलिकॉन पर सीधे उगाए गए III-v/Si Tandem सौर सेल के लिए हासिल की गई है। Fraunhofer Ise वैज्ञानिक मार्कस Feifel हाल ही में 47 वें IEE फोटोवोल्टिक विशेषज्ञ सम्मेलन में अपनी सफलता पेश करने में सक्षम थे, जो वर्तमान में कई सम्मेलनों की तरह, ऑनलाइन आयोजित किया गया है, और श्रेणी हाइब्रिड टेंडेम सौर कोशिकाओं में छात्र पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। "बाहर से, सेल की जटिल आंतरिक संरचना दिखाई नहीं देती है, क्योंकि सभी अवशोषक अतिरिक्त क्रिस्टल परतों और विद्युत रूप से वायर्ड द्वारा एक दूसरे से जुड़े होते हैं," युवा सौर सेल अनुसंधान बताते हैं एक वर्ष से भी कम समय में 25.9 प्रतिशत। "यह सफलता कई सेल के भीतर एक ही पतली परत को बदलकर प्राप्त की गई थी," वह जारी है। "हमारी कोशिकाओं के एक सावधानीपूर्वक विश्लेषण से पता चला कि इस परत ने पावर लाइन के लिए एक बाधा पैदा की।"

छोटे चरणों में, फ्राउनहोफर शोधकर्ता 2007 से इलमेनू, फिलिप्स यूनीव के तकनीकी विश्वविद्यालय के सहयोग से प्रौद्योगिकी का विकास कर रहे हैं। Marburg और कंपनी Aixtron, विशेष एपिटैक्सी उपकरण की स्थापना और संरचना की हर एक परत की जांच करना। थीसिस विकास को जर्मन संघीय शिक्षा और अनुसंधान मंत्रालय (BMBF) द्वारा "III-V-SI" और "Mehrsi" परियोजनाओं के हिस्से के रूप में वित्त पोषित किया गया था। नए अग्रानुक्रम सौर सेल का एक विशेष आकर्षण यह है कि III-V परतों को पहले के मामले में रासायनिक-यांत्रिक रूप से पॉलिश सब्सट्रेट पर उगाया नहीं गया था, लेकिन एक सिलिकॉन वेफर पर, जो क्रिस्टल को देखने के बाद, केवल सस्ती पीस का उपयोग करके एक सरल प्रक्रिया में इलाज किया गया था और नक़्क़ाशी प्रक्रिया। यूरोपीय परियोजना "सीतासोल" के भीतर, डेनिश कंपनी टॉपसिल ने थीसिस सिलिकॉन वेफर्स को विकसित किया था और इस तरह नए मल्टी-जंक्शन सौर कोशिकाओं के आर्थिक उत्पादन के लिए महत्वपूर्ण कदम का एहसास किया। भविष्य में, इसका उद्देश्य आगे भी और और भी अधिक तेजी से और अधिक लागत के साथ परतों के जमाव को महसूस करने के लिए और अधिक लागत-फुसफुसाते हुए, इस तरह से अधिक लागत का एहसास होगा। ऊर्जा टर्नअराउंड के लिए आवश्यक है।

ऊर्जा प्रणाली परिवर्तन के लिए प्रमुख प्रौद्योगिकी

आज दुनिया के कई हिस्सों में, सौर कोशिकाओं से बिजली ऊर्जा उत्पादन का सबसे सस्ता रूप है। "यूरोपीय फोटोवोल्टिक अनुसंधान कई अवधारणाओं पर काम कर रहा है ताकि ऊर्जा के बदलाव के लिए इस प्रमुख तकनीक की दक्षता को और विकसित किया जा सके," प्रो। फोटोवोल्टिक्स रिसर्च डिवीजन के प्रमुख स्टीफन ग्लुनज़। “हम न केवल सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के उत्पादन को और भी अधिक टिकाऊ और लागत-प्रभावशाली बनाने पर काम कर रहे हैं, बल्कि साथ ही हम अन्य अर्धचालक सामग्रियों के साथ संयोजन में सिद्ध सिलिकॉन को क्रमबद्ध करने के लिए नए जमीन को तोड़ रहे हैं। हम इसे अग्रानुक्रम फोटोवोल्टिक के साथ प्राप्त कर रहे हैं। टेंडेम फोटोवोल्टिक्स न केवल बिजली उत्पादन के भविष्य में, थीसिस सौर कोशिकाओं - उनके उच्च वोल्टेज के कारण - आदर्श रूप से इलेक्ट्रोलिसिस के लिए अनुकूल हैं, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में पानी का प्रत्यक्ष अपघटन। यह तकनीक इस प्रकार एक ऊर्जा भंडारण माध्यम के रूप में हाइड्रोजन के उत्पादन में योगदान देती है और ऊर्जा टर्नअराउंड के लिए एक महत्वपूर्ण बिल्डिंग ब्लॉक है।

III-V/Si मल्टी-जंक्शन सौर सेल की परत संरचना - © फ्रौनहोफर ISE

AM 1.5g वर्णक्रमीय स्थितियों के तहत III-V/Si मल्टी-जंक्शन सौर सेल की परत संरचना, क्वांटम दक्षता और IV विशेषताएँ