सौर सेल का नया रिकॉर्ड

प्रकाशन तिथि: 10 अगस्त, 2020 / अद्यतन तिथि: 17 अगस्त, 2020 – लेखक: Konrad Wolfenstein

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संयुक्त रूप से उच्च दक्षता – सौर सेल का नया रिकॉर्ड

फोटोवोल्टाइक अनुसंधान सौर सेल की दक्षता को लगातार बढ़ाने के लिए अथक प्रयास कर रहा है। टैंडम फोटोवोल्टाइक पर ध्यान केंद्रित किया जा रहा है, जिसमें उच्च-प्रदर्शन वाले सौर सेल पदार्थों को विभिन्न तरीकों से संयोजित किया जाता है ताकि प्रकाश को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने में सौर स्पेक्ट्रम का और भी अधिक कुशलता से उपयोग किया जा सके। फ्राउनहोफर आईएसई ने सिलिकॉन पर सीधे विकसित III-V/Si टैंडम सौर सेल के लिए 25.9 प्रतिशत की नई रिकॉर्ड दक्षता दर्ज की है। यह लागत प्रभावी सिलिकॉन सब्सट्रेट पर निर्मित होने वाला पहला सेल था - टैंडम फोटोवोल्टाइक के लिए आर्थिक रूप से व्यवहार्य समाधानों की दिशा में एक महत्वपूर्ण उपलब्धि।.

10 सेंटीमीटर व्यास वाले सिलिकॉन सब्सट्रेट पर कई III-V टैन्डम सौर सेल – © फ्राउनहोफर आईएसई – फोटो: मार्कस फीफेल

फ्रौनहोफर इंस्टीट्यूट फॉर सोलर एनर्जी सिस्टम्स (ISE) कई वर्षों से मल्टी-जंक्शन सोलर सेल पर काम कर रहा है, जिसमें सूर्य के प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य को बिजली में बदलने के लिए दो या तीन सब-सेल एक दूसरे के ऊपर स्टैक किए जाते हैं। सिलिकॉन स्पेक्ट्रम के इन्फ्रारेड भाग के अवशोषक के रूप में उपयुक्त है, और इसके ऊपर कुछ माइक्रोमीटर मोटी III-V अर्धचालकों की पतली परतें लगाई जाती हैं। ये पदार्थ आवर्त सारणी के समूह III और V से संबंधित हैं और पराबैंगनी, दृश्य और निकट-अवरक्त प्रकाश को अधिक कुशलता से बिजली में परिवर्तित करते हैं। शुद्ध III-V अर्धचालक सोलर सेल पहले से ही अंतरिक्ष और कंसंट्रेटर फोटोवोल्टिक्स में उपयोग किए जा रहे हैं। सिलिकॉन को निचले सब-सेल के रूप में उपयोग करके अधिक लागत प्रभावी प्रक्रियाओं का उद्देश्य भविष्य में इस टैंडम तकनीक को व्यापक फोटोवोल्टिक्स के लिए सुलभ बनाना है। हालांकि, अभी भी काफी प्रगति की आवश्यकता है।.

सीधे सिलिकॉन पर विकसित III-V/Si टैन्डम सौर सेल के लिए 25.9 प्रतिशत

III-V और सिलिकॉन सौर सेल के संयोजन के निर्माण के लिए विभिन्न दृष्टिकोण मौजूद हैं। 2019 से, फ्राउनहोफर आईएसई ने एक टैन्डम सौर सेल के लिए 34.1 प्रतिशत (अब 34.5 प्रतिशत) की विश्व रिकॉर्ड दक्षता का दावा किया है, जिसमें III-V अर्धचालक परतों को गैलियम आर्सेनाइड सब्सट्रेट से सिलिकॉन पर स्थानांतरित किया जाता है और परतों को वेफर बॉन्ड का उपयोग करके एक साथ जोड़ा जाता है। यह तकनीक कुशल है लेकिन महंगी है। इसलिए, फ्राउनहोफर आईएसई कई वर्षों से अधिक प्रत्यक्ष निर्माण प्रक्रियाओं पर काम कर रहा है जिसमें III-V परतों को सिलिकॉन सौर सेल पर जमा या एपिटैक्सियल रूप से जोड़ा जाता है। सभी परतों में उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता बनाए रखना यहाँ महत्वपूर्ण है - एक बड़ी चुनौती। सिलिकॉन पर सीधे विकसित किए गए ऐसे III-V/Si टैन्डम सौर सेल के लिए अब 25.9 प्रतिशत की नई विश्व रिकॉर्ड दक्षता हासिल की गई है। फ्रौनहोफर आईएसई के वैज्ञानिक मार्कस फीफेल ने हाल ही में 47वें आईईईई फोटोवोल्टाइक स्पेशलिस्ट्स सम्मेलन में अपनी सफलता प्रस्तुत की, जो आजकल कई सम्मेलनों की तरह ऑनलाइन आयोजित किया जा रहा है। उन्हें हाइब्रिड टैन्डम सोलर सेल्स श्रेणी में छात्र पुरस्कार से सम्मानित किया गया। युवा सौर सेल शोधकर्ता बताते हैं, "सेल की जटिल आंतरिक संरचना बाहर से दिखाई नहीं देती, क्योंकि सभी अवशोषक क्रिस्टल की अन्य परतों द्वारा आपस में जुड़े हुए और विद्युत रूप से तारबद्ध हैं।" उन्होंने इस प्रकार एक वर्ष से भी कम समय में अपने कार्य की दक्षता को 24.3 से बढ़ाकर 25.9 प्रतिशत करने में सफलता प्राप्त की। वे आगे कहते हैं, "यह सफलता मल्टी-सेल के भीतर एक पतली परत को बदलकर हासिल की गई। हमारे सेलों के सावधानीपूर्वक विश्लेषण से पता चला कि यह परत विद्युत चालन में बाधा उत्पन्न कर रही थी।"

2007 से, फ्राउनहोफर के शोधकर्ता, इल्मेनाउ तकनीकी विश्वविद्यालय, मारबर्ग के फिलिप्स विश्वविद्यालय और ऐक्सट्रॉन कंपनी के साथ मिलकर, धीरे-धीरे इस तकनीक को विकसित कर रहे हैं, विशेषीकृत एपिटैक्सी सिस्टम बना रहे हैं और संरचना की प्रत्येक परत की जांच कर रहे हैं। इन विकास कार्यों को जर्मन संघीय शिक्षा और अनुसंधान मंत्रालय (बीएमबीएफ) द्वारा "III-V-Si" और "MehrSi" परियोजनाओं के अंतर्गत वित्त पोषित किया गया था। नए टैंडम सौर सेल की एक विशेष विशेषता यह है कि III-V परतों को पहले की तरह रासायनिक और यांत्रिक रूप से पॉलिश किए गए सब्सट्रेट पर नहीं, बल्कि सिलिकॉन वेफर पर उगाया गया था। क्रिस्टल को काटने के बाद, वेफर को एक सरल, किफायती ग्राइंडिंग और एचिंग प्रक्रिया द्वारा संसाधित किया गया। डेनिश कंपनी टॉपसिल ने यूरोपीय "SiTaSol" परियोजना के अंतर्गत इन सिलिकॉन वेफर्स को विकसित किया, जिससे नए मल्टी-जंक्शन सौर सेलों के किफायती उत्पादन की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया गया। भविष्य में, दक्षता को और बढ़ाने और परतों के जमाव को और भी तेज बनाने पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा, जिससे उच्च थ्रूपुट प्राप्त होगा और परिणामस्वरूप यह अधिक लागत प्रभावी होगा, जिसका उद्देश्य यह है कि टैंडम फोटोवोल्टिक्स ऊर्जा संक्रमण के लिए आवश्यक फोटोवोल्टिक विस्तार में महत्वपूर्ण योगदान दे सके।.

ऊर्जा परिवर्तन के लिए प्रमुख प्रौद्योगिकी

सौर सेल से बिजली बनाना वर्तमान में विश्व के कई हिस्सों में ऊर्जा उत्पादन का सबसे किफायती रूप है। फोटोवोल्टिक्स अनुसंधान के प्रमुख प्रोफेसर डॉ. स्टीफ़न ग्लुन्ज़ कहते हैं, "यूरोपीय फोटोवोल्टिक अनुसंधान ऊर्जा परिवर्तन के लिए इस महत्वपूर्ण तकनीक की दक्षता को और बेहतर बनाने के लिए कई अवधारणाओं पर काम कर रहा है। हम न केवल सिलिकॉन सौर सेल के उत्पादन को और अधिक टिकाऊ और किफायती बनाने पर काम कर रहे हैं, बल्कि अन्य अर्धचालक पदार्थों के साथ सिद्ध सिलिकॉन के संयोजन से और भी अधिक दक्षता प्राप्त करने के नए रास्ते भी तलाश रहे हैं। हम इसे टैंडम फोटोवोल्टिक्स के माध्यम से हासिल कर रहे हैं।" टैंडम फोटोवोल्टिक्स न केवल बिजली उत्पादन के भविष्य का मार्ग प्रशस्त करता है, बल्कि ये सौर सेल अपने उच्च वोल्टेज के कारण इलेक्ट्रोलाइसिस के लिए भी आदर्श रूप से उपयुक्त हैं, जो पानी को सीधे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करता है। इस प्रकार यह तकनीक ऊर्जा भंडारण माध्यम के रूप में हाइड्रोजन के उत्पादन में भी योगदान देती है और ऊर्जा परिवर्तन के लिए एक महत्वपूर्ण आधारशिला है।.

III-V/Si मल्टी-जंक्शन सौर सेल की परत संरचना – © फ्राउनहोफर आईएसई

एएम 1.5जी स्पेक्ट्रल स्थितियों के अंतर्गत III-V/Si मल्टी-जंक्शन सौर सेल की परत संरचना, क्वांटम दक्षता और IV विशेषता

संयुक्त रूप से उच्च दक्षता – सौर सेल का नया रिकॉर्ड

फोटोवोल्टिक्स अनुसंधान सौर सेल की दक्षता को लगातार बढ़ाने के लिए अथक प्रयास कर रहा है। अब ध्यान टैंडम फोटोवोल्टिक्स पर केंद्रित हो रहा है, जिसमें उच्च-प्रदर्शन वाले सौर सेल पदार्थों को विभिन्न संयोजनों में एक साथ लाया जाता है ताकि प्रकाश को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए सौर स्पेक्ट्रम का और भी अधिक कुशलता से उपयोग किया जा सके। फ्राउनहोफर आईएसई ने सिलिकॉन पर सीधे विकसित III-V/Si टैंडम सौर सेल के लिए 25.9 प्रतिशत की नई रिकॉर्ड दक्षता की रिपोर्ट दी है। पहली बार, इसे कम लागत वाले सिलिकॉन सब्सट्रेट पर उत्पादित किया गया है - टैंडम फोटोवोल्टिक्स के लिए किफायती समाधानों की दिशा में एक महत्वपूर्ण उपलब्धि।.

10 सेंटीमीटर व्यास वाले सिलिकॉन सब्सट्रेट पर कई III-V टैन्डम सौर सेल – © फ्राउनहोफर आईएसई – फोटो: मार्कस फीफेल

फ्रौनहोफर इंस्टीट्यूट फॉर सोलर एनर्जी सिस्टम्स (ISE) कई वर्षों से मल्टी-जंक्शन सोलर सेल पर काम कर रहा है, जिसमें सूर्य के प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य को बिजली में बदलने के लिए दो या तीन आंशिक सेल एक के ऊपर एक व्यवस्थित किए जाते हैं। सिलिकॉन स्पेक्ट्रम के अवरक्त भाग के अवशोषक के रूप में उपयुक्त है, और इसके ऊपर III-V अर्धचालकों की परतें चढ़ाई जाती हैं। ये अर्धचालक आवर्त सारणी के समूह III और V के पदार्थ हैं, जो पराबैंगनी, दृश्य और निकट-अवरक्त प्रकाश को अधिक कुशलता से बिजली में परिवर्तित करते हैं। शुद्ध III-V अर्धचालक सोलर सेल पहले से ही अंतरिक्ष और कंसंट्रेटर फोटोवोल्टिक्स में उपयोग किए जा रहे हैं। सिलिकॉन को सबसे निचले उप-सेल के रूप में उपयोग करके अधिक लागत प्रभावी प्रक्रियाओं के माध्यम से, इस तकनीक को भविष्य में व्यापक फोटोवोल्टिक्स के लिए सुलभ बनाया जाना है। हालांकि, अभी इसमें काफी समय लगेगा।.

सिलिकॉन पर सीधे उगाए गए III-V/Si टैन्डम सौर सेल के लिए 25.9 प्रतिशत

III-V और सिलिकॉन सौर सेल के संयोजन बनाने के लिए विभिन्न तरीके मौजूद हैं। उदाहरण के लिए, 2019 से, फ्राउनहोफर आईएसई ने एक टैन्डम सौर सेल के लिए 34.1 प्रतिशत दक्षता (अब 34.5 प्रतिशत) का विश्व रिकॉर्ड बनाया हुआ है, जिसमें III-V अर्धचालक परतों को गैलियम आर्सेनाइड सब्सट्रेट से सिलिकॉन पर स्थानांतरित किया जाता है, और परतों को वेफर बॉन्ड नामक एक बंधन द्वारा जोड़ा जाता है। यह तकनीक कुशल तो है, लेकिन महंगी है। इसी कारण से, फ्राउनहोफर आईएसई कई वर्षों से अधिक प्रत्यक्ष निर्माण प्रक्रियाओं पर काम कर रहा है, जिसमें III-V परतों को सिलिकॉन सौर सेल पर जमा या एपिटैक्स किया जाता है। यहाँ, सभी परतों की उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता बनाए रखना महत्वपूर्ण है - जो एक बड़ी चुनौती है। सिलिकॉन पर सीधे विकसित किए गए ऐसे III-V/Si टैन्डम सौर सेल के लिए अब 25.9 प्रतिशत की नई विश्व रिकॉर्ड दक्षता हासिल की गई है। फ्रौनहोफर आईएसई के वैज्ञानिक मार्कस फीफेल ने हाल ही में 47वें आईईईई फोटोवोल्टाइक स्पेशलिस्ट्स सम्मेलन में अपनी सफलता प्रस्तुत की, जो आजकल कई सम्मेलनों की तरह ऑनलाइन आयोजित किया जा रहा है। उन्हें हाइब्रिड टैन्डम सोलर सेल्स श्रेणी में छात्र पुरस्कार से सम्मानित किया गया। युवा सोलर सेल शोधकर्ता बताते हैं, "बाहर से सेल की जटिल आंतरिक संरचना दिखाई नहीं देती, क्योंकि सभी अवशोषक अतिरिक्त क्रिस्टल परतों द्वारा एक दूसरे से जुड़े होते हैं और विद्युत रूप से वायर्ड होते हैं।" उन्होंने इस प्रकार एक वर्ष से भी कम समय में अपने काम के परिणाम को 24.3 से 25.9 प्रतिशत तक बेहतर बनाया। वे आगे कहते हैं, "यह सफलता मल्टीपल सेल के भीतर एक पतली परत को बदलकर हासिल की गई। हमारे सेल्स के सावधानीपूर्वक विश्लेषण से पता चला कि यह परत बिजली की लाइन में बाधा उत्पन्न कर रही थी।"

फ्रौनहोफर के शोधकर्ताओं ने 2007 से इल्मेनाउ तकनीकी विश्वविद्यालय, फिलिप्स विश्वविद्यालय मारबर्ग और ऐक्सट्रॉन कंपनी के सहयोग से इस तकनीक को छोटे-छोटे चरणों में विकसित किया है। उन्होंने विशेष एपिटैक्सी उपकरण स्थापित किए और संरचना की प्रत्येक परत की जांच की। इन विकास कार्यों को जर्मन संघीय शिक्षा और अनुसंधान मंत्रालय (बीएमबीएफ) द्वारा "III-V-Si" और "MehrSi" परियोजनाओं के तहत वित्त पोषित किया गया था। नए टैंडम सौर सेल की एक विशेष विशेषता यह है कि III-V परतों को पहले की तरह रासायनिक-यांत्रिक रूप से पॉलिश किए गए सब्सट्रेट पर नहीं उगाया गया, बल्कि सिलिकॉन वेफर पर उगाया गया, जिसे क्रिस्टल को काटने के बाद, केवल सस्ते ग्राइंडिंग और एचिंग प्रक्रियाओं का उपयोग करके एक सरल प्रक्रिया में संसाधित किया गया था। यूरोपीय परियोजना "SiTaSol" के तहत, डेनिश कंपनी टॉपसिल ने इन सिलिकॉन वेफर्स को विकसित किया था और इस प्रकार नए मल्टी-जंक्शन सौर सेलों के किफायती उत्पादन की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया। भविष्य में, लक्ष्य दक्षता को और भी अधिक बढ़ाना और परतों के जमाव को और भी तेजी से, उच्च थ्रूपुट के साथ और इस प्रकार अधिक लागत प्रभावी ढंग से साकार करना होगा, ताकि टैंडम फोटोवोल्टिक्स ऊर्जा परिवर्तन के लिए आवश्यक फोटोवोल्टिक विस्तार में महत्वपूर्ण योगदान दे सकें।.

ऊर्जा प्रणाली परिवर्तन के लिए प्रमुख प्रौद्योगिकी

आज दुनिया के कई हिस्सों में, सौर सेल से बिजली बनाना ऊर्जा उत्पादन का सबसे सस्ता साधन है। फोटोवोल्टिक्स अनुसंधान प्रभाग के प्रमुख प्रोफेसर डॉ. स्टीफ़न ग्लुन्ज़ कहते हैं, "यूरोपीय फोटोवोल्टिक अनुसंधान ऊर्जा परिवर्तन के लिए इस महत्वपूर्ण तकनीक की दक्षता को और विकसित करने हेतु कई अवधारणाओं पर काम कर रहा है। हम न केवल सिलिकॉन सौर सेल के उत्पादन को और अधिक टिकाऊ और लागत प्रभावी बनाने पर काम कर रहे हैं, बल्कि साथ ही साथ सिद्ध सिलिकॉन को अन्य अर्धचालक पदार्थों के साथ मिलाकर और भी उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए नए आयाम स्थापित कर रहे हैं। हम इसे टैंडम फोटोवोल्टिक्स के माध्यम से हासिल कर रहे हैं। टैंडम फोटोवोल्टिक्स न केवल बिजली उत्पादन के भविष्य का मार्ग प्रशस्त करता है, बल्कि ये सौर सेल - अपने उच्च वोल्टेज के कारण - विद्युत अपघटन के लिए भी आदर्श रूप से उपयुक्त हैं, जो पानी को सीधे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित करता है। इस प्रकार यह तकनीक ऊर्जा भंडारण माध्यम के रूप में हाइड्रोजन के उत्पादन में भी योगदान देती है और ऊर्जा परिवर्तन के लिए एक महत्वपूर्ण आधारशिला है।".

III-V/Si मल्टी-जंक्शन सौर सेल की परत संरचना – © फ्राउनहोफर आईएसई

एएम 1.5जी स्पेक्ट्रल स्थितियों के अंतर्गत III-V/Si मल्टी-जंक्शन सौर सेल की परत संरचना, क्वांटम दक्षता और IV विशेषताएँ