पेरोवस्काइट सौर सेल: आधुनिक भवनों और सौर ऊर्जा परियोजनाओं के लिए पारदर्शी फोटोवोल्टिक्स की क्षमता – चित्र: Xpert.Digital
पारदर्शी ऊर्जा परिवर्तन: नवीन विंडो तकनीक के माध्यम से बिजली उत्पादन
पेरोव्स्काइट सौर सेल: स्मार्ट खिड़कियों के भविष्य के निर्माता
पारदर्शी और उच्च दक्षता वाले सौर सेल के विकास से इमारतों में फोटोवोल्टिक्स को एकीकृत करने के नए अवसर खुल गए हैं। विशेष रूप से पेरोव्स्काइट सौर सेल हाल के वर्षों में इस अनुप्रयोग के लिए एक आशाजनक विकल्प के रूप में उभरे हैं। 31.6 प्रतिशत तक की दक्षता, पारदर्शी डिज़ाइन की संभावना और किफायती निर्माण के साथ, ये सौर ऊर्जा के उपयोग में क्रांति ला सकते हैं। वर्तमान शोध से पता चलता है कि इन सेल की पहले की समस्याग्रस्त स्थिरता में काफी सुधार हुआ है। स्मार्ट खिड़कियों के रूप में इनका उपयोग विशेष रूप से आशाजनक है, जो न केवल बिजली उत्पन्न करती हैं बल्कि परिवेश की स्थितियों के अनुसार अपनी पारदर्शिता को भी समायोजित कर सकती हैं।.
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पेरोवस्काइट सौर प्रौद्योगिकी के मूल सिद्धांत
पेरोवस्काइट सौर सेल फोटोवोल्टिक्स के क्षेत्र में एक अपेक्षाकृत नया विकास है, जिस पर गहन शोध 2009 में ही शुरू हुआ था। इनका नाम पेरोवस्काइट खनिज के नाम पर रखा गया है, जिसकी विशिष्ट क्रिस्टलीय संरचना इनमें पाई जाती है। ये सौर सेल हैलाइड पेरोवस्काइट नामक एक संकर पदार्थ पर आधारित हैं, जो धनात्मक आवेशित कार्बनिक घटकों जैसे मिथाइलअमोनियम धनायनों और अकार्बनिक धातु लवणों जैसे लेड आयोडाइड से मिलकर बना होता है। इनकी अनूठी संरचना और बनावट पारंपरिक सिलिकॉन सौर सेल से मौलिक रूप से भिन्न है, जो इन्हें सौर ऊर्जा के भविष्य के लिए एक आशाजनक विकल्प बनाती है।.
पेरोवस्काइट सौर सेल की कार्यक्षमता सूर्य के प्रकाश को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने की उनकी उत्कृष्ट क्षमता पर निर्भर करती है। जूलिच अनुसंधान केंद्र के वैज्ञानिकों ने नवीन फोटोल्यूमिनेसेंस मापन के माध्यम से यह पता लगाया है कि पेरोवस्काइट सौर सेल में मुक्त आवेश वाहक क्षय से असाधारण रूप से सुरक्षित रहते हैं, जो उनकी उच्च दक्षता का एक प्रमुख कारण हो सकता है। इस पदार्थ में उत्तेजित आवेश वाहकों का जीवनकाल इन सौर सेल की दक्षता के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है, क्योंकि यह निर्धारित करता है कि प्रकाश द्वारा मुक्त इलेक्ट्रॉन कितने समय तक उपलब्ध रहते हैं और विद्युत उत्पादन में योगदान कर सकते हैं।.
हाल के वर्षों में, इन सौर सेलों के तकनीकी विकास ने उल्लेखनीय प्रगति की है। जहाँ पहले पेरोव्स्काइट सौर सेलों की दक्षता मात्र 4 प्रतिशत थी, वहीं नवीनतम मॉडल नियमित रूप से 20 प्रतिशत से अधिक दक्षता प्राप्त कर रहे हैं। फ्राउनहोफर इंस्टीट्यूट ने तो 31.6 प्रतिशत का रिकॉर्ड मूल्य हासिल किया, जबकि जर्मन कंपनी क्यूसेल्स ने 28.6 प्रतिशत की दक्षता प्राप्त की।.
पारदर्शी पेरोव्स्काइट सौर सेल के लाभ
परंपरागत सिलिकॉन मॉड्यूल की तुलना में पेरोव्स्काइट सौर सेल की सबसे खास विशेषता उनकी पारदर्शिता और उच्च दक्षता का संयोजन है। यह गुण विशेष रूप से भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स के क्षेत्र में बिल्कुल नए अनुप्रयोग के द्वार खोलता है। पारदर्शी या अर्ध-पारदर्शी सौर सेल को खिड़कियों की सतहों में एकीकृत किया जा सकता है, जिससे इमारतों में न केवल प्रकाश प्रवेश कर सकता है बल्कि साथ ही बिजली भी उत्पन्न हो सकती है।.
निर्माण प्रक्रिया के दौरान पारदर्शिता के स्तर को आवश्यकतानुसार समायोजित किया जा सकता है, हालांकि यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि पारदर्शिता बढ़ने के साथ ऊर्जा रूपांतरण दक्षता कम हो जाती है। पारदर्शी संस्करणों के लिए उच्चतम मापी गई रूपांतरण दक्षता वर्तमान में उल्लेखनीय 17.9 प्रतिशत है। इंप्रेसिव अनुसंधान परियोजना ने प्रदर्शित किया कि प्रौद्योगिकियों के संयोजन से 55 प्रतिशत से अधिक औसत प्रकाश संचरण पर 14 प्रतिशत की दक्षता के साथ सौर ऊर्जा को परिवर्तित किया जा सकता है। अर्ध-पारदर्शी यूवी पेरोव्स्काइट सेल लगभग 60 प्रतिशत प्रकाश संचरण पर 10 प्रतिशत से अधिक की दक्षता प्राप्त करते हैं।
पारदर्शिता के अलावा, पेरोवस्काइट सौर सेल कई अन्य उल्लेखनीय लाभ भी प्रदान करते हैं। ये अपेक्षाकृत सस्ते और निर्माण में आसान होते हैं, ठीक पतली-फिल्म वाले सौर मॉड्यूल की तरह। सिलिकॉन की तुलना में इनका उत्पादन काफी कम ऊर्जा खपत वाला होता है, क्योंकि पेरोवस्काइट को रोल-टू-रोल प्रिंटिंग जैसी सरल और स्केलेबल प्रक्रियाओं का उपयोग करके उत्पादित किया जा सकता है। इसके अलावा, आवश्यक कच्चा माल आमतौर पर आसानी से उपलब्ध होता है, जिससे सामग्री की लागत कम रहती है।.
पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं का एक और महत्वपूर्ण लाभ इनका हल्कापन और लचीलापन है। इन्हें विभिन्न सतहों पर अति-पतली परतों के रूप में लगाया जा सकता है, जिससे इनके अनुप्रयोग की संभावनाएं काफी बढ़ जाती हैं। यह गुण पोर्टेबल उपकरणों, वाहनों या भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक समाधानों जैसे सौर खिड़कियों या अग्रभाग मॉड्यूल में नवीन अनुप्रयोगों को संभव बनाता है।.
भवन एकीकरण में नवोन्मेषी अनुप्रयोग
पेरोवस्काइट सौर कोशिकाओं को पारदर्शी बनाने की क्षमता उन्हें बिल्डिंग-इंटीग्रेटेड फोटोवोल्टिक्स (बीआईपीवी) के लिए विशेष रूप से आकर्षक बनाती है, जहां सौर कोशिकाएं खिड़कियों जैसी पारंपरिक निर्माण सामग्री की जगह लेती हैं। पेरोवस्काइट को कांच के पैनलों के बीच स्थापित करने से सौर कोशिकाएं किसी इमारत के वास्तविक अग्रभाग और दीवार के रूप में कार्य कर सकती हैं, साथ ही साथ परिसर में उपयोग के लिए बिजली उत्पन्न कर सकती हैं या ग्रिड में आपूर्ति कर सकती हैं।.
पैनासोनिक होल्डिंग्स ने इस नवोन्मेषी अनुप्रयोग का एक ठोस उदाहरण प्रस्तुत किया, जिसमें टोक्यो के दक्षिण में स्थित एक मॉडल घर की बालकनी पर पेरोव्स्काइट सौर सेल युक्त अर्ध-पारदर्शी कांच की रेलिंग का प्रदर्शन किया गया। ये प्रोटोटाइप रोजमर्रा के भवन निर्माण तत्वों में पेरोव्स्काइट तकनीक को एकीकृत करने की क्षमता को दर्शाते हैं। लीपज़िग के भौतिकविदों ने एक पारदर्शी सौर सेल भी विकसित किया है जिसे सीधे खिड़की के शीशे पर वाष्प जमाव विधि से लगाया जा सकता है, जिससे संभावित रूप से पूरे अग्रभाग को विद्युत संयंत्रों में परिवर्तित किया जा सकता है।.
थर्मोक्रोमिक या "स्मार्ट" खिड़कियों के क्षेत्र में हो रहे विकास विशेष रूप से आशाजनक हैं। कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के वैज्ञानिकों ने एक फोटोवोल्टिक खिड़की के लिए एक कार्यात्मक विस्तार विकसित किया है जो तापमान परिवर्तन के साथ अपना रंग और पारदर्शिता बदलता है और अंधेरा होने पर बिजली उत्पन्न कर सकता है। रंगीन सौर खिड़की में प्रतिवर्ती परिवर्तन अति-पतली पेरोव्स्काइट परतों के चरण परिवर्तन पर आधारित है।.
पारदर्शी अवस्था में, पेरोवस्काइट क्रिस्टल घनाकार संरचना में मौजूद होते हैं और काफी हद तक पारदर्शी होते हैं, जबकि लगभग 105 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर वे कम पारदर्शी, लेकिन प्रकाश विद्युतीय रूप से सक्रिय क्रिस्टल संरचना में परिवर्तित हो जाते हैं। यह दृश्य प्रकाश के लगभग दो-तिहाई भाग को अवरुद्ध करता है और सात प्रतिशत की दक्षता प्राप्त करता है। कमरे के तापमान तक ठंडा करने और कुछ नमी के संपर्क में आने पर, यह अवस्था परिवर्तन उलट जाता है और खिड़की फिर से पारदर्शी हो जाती है।.
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जलवायु-अनुकूलित इमारतों के लिए थर्मोक्रोमिक गुण
पेरोवस्काइट आधारित खिड़कियों के थर्मोक्रोमिक गुण भवनों की ऊर्जा दक्षता में महत्वपूर्ण योगदान दे सकते हैं। फोटोक्रोमिक धूप के चश्मे की तरह, ये खिड़कियां तापमान में बदलाव के अनुसार रंग बदल सकती हैं, और धूप के चश्मे में प्रकाश की तीव्रता के विपरीत, तापमान ही निर्णायक कारक होता है। तापमान बढ़ने पर, पारदर्शी शीशा धीरे-धीरे पीला, नारंगी, लाल या भूरा हो जाता है। तापमान जितना बढ़ता है, शीशा उतना ही गहरा होता जाता है, जिससे कमरा अपने आप ठंडा हो जाता है और एयर कंडीशनिंग की आवश्यकता नहीं पड़ती।.
यह तंत्र हीटिंग और कूलिंग के लिए ऊर्जा की खपत को कम करने में महत्वपूर्ण योगदान दे सकता है। ऑस्ट्रिया में CO2 उत्सर्जन में हीटिंग और गर्म पानी का योगदान 25 प्रतिशत है, और बर्मिंघम विश्वविद्यालय के एक अध्ययन के अनुसार 2050 तक दुनिया भर में कूलिंग उपकरणों की संख्या चौगुनी होकर 14 अरब हो जाएगी। ऐसे में स्मार्ट विंडो समाधान जलवायु संरक्षण में महत्वपूर्ण योगदान दे सकते हैं।.
चुनौतियाँ और समाधान
पेरोवस्काइट सौर सेल अपने आशाजनक गुणों के बावजूद कई चुनौतियों का सामना करते हैं, जिन्होंने अब तक इनके व्यापक व्यावसायिक उपयोग को सीमित कर दिया है। एक प्रमुख समस्या वास्तविक पर्यावरणीय परिस्थितियों में इनकी स्थिरता है। पेरोवस्काइट क्रिस्टल अव्यवस्थित और दोषपूर्ण रूप से विकसित होते हैं, जिससे स्थिरता संबंधी समस्याएं उत्पन्न हो सकती हैं। ये अभी तक सिलिकॉन सौर सेल जितनी लंबी आयु प्राप्त नहीं कर पाते हैं और नमी, प्रकाश और गर्मी के प्रति संवेदनशील होते हैं। एक महत्वपूर्ण कमी इनकी कम मौसम प्रतिरोधक क्षमता है, क्योंकि ये पदार्थ चरम मौसम की स्थितियों में खराब हो सकते हैं।.
हालांकि, इन चुनौतियों पर काबू पाने के लिए अनुसंधान में पहले ही काफी प्रगति हो चुकी है। उदाहरण के लिए, पैनासोनिक ने रासायनिक रूप से अधिक स्थिर सामग्री का उत्पादन करने और दोहरी ग्लेज़िंग के उपयोग से इसे मौसम के प्रभावों से बचाने में सफलता प्राप्त की है। एनर्जीविले अनुसंधान संघ में भागीदार बेल्जियम की अनुसंधान संस्था इमेक ने पेरोव्स्काइट सौर मॉड्यूल अनुसंधान में एक महत्वपूर्ण उपलब्धि । साइप्रस में दो साल के बाहरी अध्ययन में, मिनी-पेरोव्स्काइट मॉड्यूल की दीर्घकालिक स्थिरता का प्रदर्शन किया गया, जिसने एक वर्ष के बाहरी उपयोग के बाद 78 प्रतिशत की प्रभावशाली ऊर्जा दक्षता प्राप्त की - एक ऐसा मान जिसे वर्तमान पेरोव्स्काइट सौर मॉड्यूल अक्सर केवल कुछ हफ्तों तक ही बनाए रख पाते हैं।
पुनर्चक्रण के क्षेत्र में भी प्रगति हुई है। स्वीडन के शोधकर्ताओं ने पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं के पूर्णतः और पर्यावरण के अनुकूल पुनर्चक्रण की एक विधि विकसित की है। पहले की तरह कोशिकाओं को विघटित करने के लिए विषैले डाइमिथाइलफॉर्मामाइड का उपयोग करने के बजाय, टीम विघटित पेरोव्स्काइट को तोड़ने के लिए विलायक के रूप में पानी का उपयोग करती है। इसके बाद सभी घटकों को प्रदर्शन को प्रभावित किए बिना एक नई पेरोव्स्काइट सौर कोशिका में पुनः उपयोग किया जा सकता है - पुनर्चक्रित सौर कोशिका की दक्षता मूल कोशिका के समान ही होती है।.
थर्मोक्रोमिक सौर खिड़कियों के लिए कुछ विशिष्ट चुनौतियाँ अभी भी बनी हुई हैं। व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए, अपेक्षाकृत उच्च चरण परिवर्तन तापमान (100 डिग्री सेल्सियस से थोड़ा अधिक) को और कम करने की आवश्यकता होगी। इसके अलावा, प्रतिवर्ती स्विचिंग के लिए आवश्यक आर्द्रता पेरोव्स्काइट परतों की दीर्घकालिक स्थिरता को प्रभावित कर सकती है। हालांकि, चूंकि पेरोव्स्काइट सामग्रियों की संरचना में काफी बदलाव किया जा सकता है, इसलिए आगे के अध्ययनों से इन कमियों के बिना सामग्री मिश्रणों की पहचान की जा सकती है और इस प्रकार दक्षता को और बढ़ाया जा सकता है।.
बाजार की क्षमता और भविष्य की संभावनाएं
लचीलेपन, लागत में लाभ और उत्कृष्ट दक्षता का संयोजन पेरोव्स्काइट सौर सेल को ऊर्जा परिवर्तन के लिए एक आशाजनक तकनीक बनाता है। IDTechEx के बाजार शोधकर्ताओं का अनुमान है कि पेरोव्स्काइट फोटोवोल्टाइक बाजार 2035 तक लगभग 12 बिलियन अमेरिकी डॉलर की वार्षिक बिक्री तक पहुंच जाएगा। यह तकनीक भविष्य में सिलिकॉन-आधारित मॉड्यूल को प्रतिस्थापित करते हुए प्रमुख फोटोवोल्टाइक तकनीक बन सकती है।.
टैंडम सेल में पेरोवस्काइट और सिलिकॉन का संयोजन विशेष रूप से आशाजनक प्रतीत होता है, जिससे 43 प्रतिशत तक दक्षता प्राप्त की जा सकती है – जो शुद्ध सिलिकॉन मॉड्यूल की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है। पेरोवस्काइट सामग्री को सूर्य के प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्यों का कुशलतापूर्वक उपयोग करने के लिए विशेष रूप से तैयार किया जा सकता है: पेरोवस्काइट कम तरंग दैर्ध्य (नीले) प्रकाश को बेहतर ढंग से अवशोषित करता है, जबकि सिलिकॉन लंबी तरंग दैर्ध्य (लाल) श्रेणी में उत्कृष्ट प्रदर्शन करता है।.
पारदर्शी पेरोव्स्काइट सौर सेल, भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स के लिए बिल्कुल नए दृष्टिकोण प्रस्तुत करते हैं। निष्क्रिय खिड़कियों को बिजली उत्पादन करने वाली खिड़कियों से यथाशीघ्र बदलने के लिए, शोधकर्ता इन तकनीकों के प्रदर्शन को अनुकूलित करने और पारदर्शी पीवी सेल की बाजार में उपलब्धता को गति देने के लिए काम कर रहे हैं। यदि स्थिरता और टिकाऊपन से संबंधित शेष चुनौतियों को दूर किया जा सके, तो निकट भविष्य में पेरोव्स्काइट-आधारित सौर खिड़कियां शहरी क्षेत्रों में विकेंद्रीकृत ऊर्जा उत्पादन में महत्वपूर्ण योगदान दे सकती हैं।.
शहरी ऊर्जा परिवर्तन: पेरोवस्काइट तकनीक से संचालित बिजली उत्पादन करने वाली खिड़कियाँ
पेरोवस्काइट सौर सेल, विशेष रूप से खिड़कियों में उपयोग के लिए उनके पारदर्शी संस्करण , फोटोवोल्टिक्स के भविष्य के लिए एक आशाजनक तकनीक का प्रतिनिधित्व करते हैं। उच्च दक्षता, पारदर्शिता, कम निर्माण लागत और लचीलेपन के संयोजन के साथ, वे पारंपरिक सिलिकॉन सौर सेल की तुलना में महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करते हैं। इमारतों के अग्रभागों और खिड़कियों को उनके प्राथमिक कार्य को प्रभावित किए बिना बिजली उत्पादन में परिवर्तित करने की क्षमता शहरी क्षेत्रों में ऊर्जा परिवर्तन में महत्वपूर्ण योगदान दे सकती है।
वास्तविक पर्यावरणीय परिस्थितियों में इन सेलों की स्थिरता और स्थायित्व में सुधार लाने में हालिया प्रगति उत्साहजनक है और व्यापक वाणिज्यिक अनुप्रयोग का मार्ग प्रशस्त करती है। कुछ पेरोवस्काइट-आधारित खिड़कियों के थर्मोक्रोमिक गुण विशेष रूप से नवीन प्रतीत होते हैं, क्योंकि वे न केवल बिजली उत्पन्न कर सकते हैं बल्कि अपनी पारदर्शिता को समायोजित करके भवनों की ऊर्जा दक्षता में भी योगदान दे सकते हैं।.
कुछ चुनौतियाँ अभी भी मौजूद हैं, लेकिन हाल के वर्षों में पेरोव्स्काइट प्रौद्योगिकी के तीव्र विकास से संकेत मिलता है कि पारदर्शी, उच्च दक्षता वाले सौर सेल जल्द ही वास्तुकला और ऊर्जा आपूर्ति में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं। यह नवोन्मेषी प्रौद्योगिकी निर्माण के भविष्य को मौलिक रूप से बदल सकती है, जिससे ऐसी इमारतें बनेंगी जिनकी खिड़कियाँ और अग्रभाग न केवल सौंदर्यपूर्ण हों बल्कि ऊर्जा उत्पादन में भी सक्रिय योगदान दें।.
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