जीआईपी: अर्ध-पारदर्शी सौर मॉड्यूल के साथ भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स

भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स (बीआईपीवी) से तात्पर्य उन फोटोवोल्टिक सामग्रियों से है जो भवन के बाहरी आवरण के कुछ हिस्सों, जैसे छत, रोशनदान या अग्रभाग में पारंपरिक निर्माण सामग्रियों की जगह लेती हैं। इसे प्राथमिक या द्वितीयक ऊर्जा स्रोत के रूप में नए भवनों में तेजी से एकीकृत किया जा रहा है, और मौजूदा भवनों को भी इसी तकनीक से सुसज्जित किया जा सकता है। पारंपरिक गैर-एकीकृत प्रणालियों की तुलना में एकीकृत फोटोवोल्टिक्स का लाभ यह है कि भवन के उस हिस्से के निर्माण में लगने वाली निर्माण सामग्री और श्रम पर होने वाले खर्च को कम करके प्रारंभिक लागत की भरपाई की जा सकती है, जिसे बीआईपी मॉड्यूल द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। इसके अलावा, बीआईपी सौर ऊर्जा संयंत्रों की व्यापक स्वीकृति को सक्षम बनाता है, खासकर तब जब भवन की सुंदरता एक महत्वपूर्ण कारक हो और पारंपरिक, रैक-माउंटेड सौर पैनल इच्छित स्वरूप को खराब कर सकते हों।.

बीएपीवी (बिल्डिंग-एप्लाइड फोटोवोल्टिक्स) शब्द का प्रयोग कभी-कभी उन फोटोवोल्टिक प्रणालियों के लिए किया जाता है जिन्हें किसी इमारत में बाद में स्थापित किया जाता है। अधिकांश बिल्डिंग-इंटीग्रेटेड सिस्टम वास्तव में बीएपीवी ही होते हैं। कुछ निर्माता और विकासकर्ता नए निर्माण में बीआईपीवी और बीएपीवी के बीच अंतर करते हैं।.

भवन-एकीकृत फोटोवोल्टाइक (बीआईपीवी) अनुप्रयोगों का उदय 1970 के दशक में हुआ। एल्युमीनियम फ्रेम वाले फोटोवोल्टाइक मॉड्यूल भवनों से जुड़े या उन पर लगाए जाते थे, जो आमतौर पर बिजली ग्रिड से वंचित दूरस्थ क्षेत्रों में स्थित होते थे। 1980 के दशक में, छतों पर पीवी सिस्टम स्थापित किए जाने लगे। ये पीवी सिस्टम आमतौर पर बिजली ग्रिड से जुड़े भवनों पर और केंद्रीकृत बिजली संयंत्रों वाले क्षेत्रों में स्थापित किए जाते थे। 1990 के दशक में, भवन के बाहरी आवरण में एकीकृत करने के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए बीआईपी उत्पाद व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हो गए। पैट्रिना आइफ़र्ट द्वारा 1998 में लिखित "बीआईपीवी का आर्थिक मूल्यांकन" नामक डॉक्टरेट शोध प्रबंध में यह परिकल्पना की गई थी कि एक दिन नवीकरणीय ऊर्जा क्रेडिट (आरईसी) के व्यापार में आर्थिक मूल्य होगा। 2011 में अमेरिकी राष्ट्रीय नवीकरणीय ऊर्जा प्रयोगशाला द्वारा बीआईपी के आर्थिक मूल्यांकन और संक्षिप्त इतिहास से पता चलता है कि बीआईपी स्थापना लागत को फोटोवोल्टाइक सिस्टम की लागत के साथ प्रतिस्पर्धा करने से पहले महत्वपूर्ण तकनीकी चुनौतियां अभी भी मौजूद हैं। हालांकि, इस बात पर आम सहमति बन रही है कि व्यापक व्यावसायीकरण के माध्यम से बीआईपी सिस्टम 2020 तक यूरोपीय शून्य ऊर्जा भवन (जेडईबी) लक्ष्य की रीढ़ बनेंगे। आशाजनक तकनीकी संभावनाओं के बावजूद, व्यापक रूप से अपनाने में सामाजिक बाधाएं भी सामने आई हैं, जैसे कि निर्माण उद्योग की रूढ़िवादी संस्कृति और उच्च घनत्व वाले शहरी नियोजन में एकीकरण। लेखकों का कहना है कि दीर्घकालिक रूप से इसे अपनाना तकनीकी विकास के साथ-साथ प्रभावी नीतिगत निर्णयों पर भी निर्भर करेगा।.

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

अर्ध-पारदर्शी सौर मॉड्यूलों के साथ भवन-एकीकृत फोटोवोल्टिक्स ऊर्जा-कुशल भवनों के निर्माण के लिए एक आकर्षक विकल्प है। यह तकनीक ऊर्जा लागत को कम करने के साथ-साथ भवन के बाहरी स्वरूप को बेहतर बनाने में भी मदद कर सकती है।.

इसके अलावा, अर्ध-पारदर्शी सौर पैनलों का उपयोग करके दिन के उजाले को भवन के अंदरूनी हिस्से में पहुंचाया 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 अत्यंत कुशल और बहुमुखी रूप है। इसमें भवनों की ऊर्जा आपूर्ति को स्थायी रूप से बेहतर बनाने की क्षमता है।.

जमीन पर स्थापित और छत पर लगाए जाने वाले बिजली 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, जिनका उपयोग कांच के अग्रभाग और पारदर्शी रोशनदान के रूप में किया जाता है।.

CIGS (कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड) आधारित पतली-फिल्म कोशिकाएं लचीले मॉड्यूल पर होती हैं जिन्हें भवन के बाहरी आवरण तत्व पर लैमिनेट किया जाता है, या CIGS कोशिकाओं को सीधे भवन के बाहरी आवरण के सब्सट्रेट पर लगाया जाता है।.

अंदर वर्गाकार सेल वाले डबल-ग्लेज्ड सोलर मॉड्यूल।.

सपाट छत

आज तक का सबसे व्यापक समाधान एक लचीले पॉलिमर मॉड्यूल में एकीकृत अनाकार पतली-फिल्म सौर सेल है, जिसे सौर मॉड्यूल की बैकशीट और छत की झिल्ली के बीच एक चिपकने वाली फिल्म द्वारा जोड़ा जाता 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

सोलर रूफ टाइल्स (सिरेमिक) रूफ टाइल्स होती हैं जिनमें सोलर मॉड्यूल लगे होते हैं। सिरेमिक सोलर रूफ टाइल का विकास और पेटेंट 2013 में एक डच कंपनी द्वारा किया गया था।.

कई छत की टाइलों के आकार के मॉड्यूल।.

सोलर शिंगल्स ऐसे मॉड्यूल होते हैं जो सामान्य शिंगल्स की तरह दिखते और काम करते हैं, लेकिन उनमें एक लचीली पतली-फिल्म वाली सेल होती है।.

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

धातु से बनी ढलानदार छतों (संरचनात्मक और वास्तुशिल्पीय दोनों) को अब पीवी कार्यों से लैस किया जा रहा है, या तो एक स्वतंत्र लचीले मॉड्यूल को चिपकाकर या सीआईजीएस कोशिकाओं को सीधे सब्सट्रेट पर गर्मी और वैक्यूम सील करके।.

मुखौटा

मौजूदा इमारतों में अग्रभाग जोड़कर उन्हें बिल्कुल नया रूप दिया जा सकता है। इन मॉड्यूल को इमारत के अग्रभाग पर मौजूदा संरचना के ऊपर लगाया जाता है, जिससे इमारत की सुंदरता और पुनर्विक्रय मूल्य में वृद्धि हो सकती है।.

ग्लेज़िंग

फोटोवोल्टिक खिड़कियाँ अर्ध-पारदर्शी मॉड्यूल हैं जो कांच या इसी तरह की सामग्रियों से बने कई वास्तुशिल्पीय तत्वों, जैसे खिड़कियों और रोशनदानों का स्थान ले सकती हैं। ये न केवल विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करती हैं बल्कि अपनी उत्कृष्ट तापीय इन्सुलेशन विशेषताओं और सौर विकिरण को नियंत्रित करने की क्षमता के कारण ऊर्जा की बचत भी कर सकती हैं।.

फोटोवोल्टाइक कांच की खिड़कियां: आवासीय और व्यावसायिक भवनों में ऊर्जा उत्पादन प्रौद्योगिकियों के एकीकरण ने अनुसंधान के नए क्षेत्रों को खोल दिया है, जो अंतिम उत्पाद की समग्र सुंदरता पर अधिक जोर देते हैं। उच्च दक्षता प्राप्त करना ही मुख्य लक्ष्य है, वहीं फोटोवोल्टाइक खिड़कियों के नए विकास का उद्देश्य उपभोक्ताओं को कांच की इष्टतम पारदर्शिता और/या रंगों की विस्तृत श्रृंखला में से चुनने का विकल्प प्रदान करना भी है। विभिन्न रंगों के सौर पैनलों को व्यापक स्पेक्ट्रम से विशिष्ट तरंगदैर्ध्य श्रेणियों को बेहतर ढंग से अवशोषित करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। अर्ध-पारदर्शी, पेरोव्स्काइट और डाई-सेंसिटाइज्ड सौर कोशिकाओं का उपयोग करके रंगीन फोटोवोल्टाइक कांच को सफलतापूर्वक विकसित किया गया है।.

• फैब्री-पेरोट-एटालोन तकनीक का उपयोग करके रंगीन प्रकाश को अवशोषित और परावर्तित करने वाले प्लास्मोनिक सौर सेल विकसित किए गए हैं। इन सेल में दो समानांतर, परावर्तक धातु की परतें और उनके बीच एक परावैद्युत गुहा परत होती है। दोनों इलेक्ट्रोड चांदी (Ag) के बने होते हैं, और उनके बीच की गुहा Sb₂O₃ की बनी होती है। परावैद्युत गुहा की मोटाई और अपवर्तनांक को बदलकर, सबसे अच्छी तरह अवशोषित होने वाली तरंगदैर्ध्य को बदला जा सकता है। अवशोषण परत के कांच के रंग को स्पेक्ट्रम के उस विशिष्ट भाग से मिलाने से, जिसके लिए सेल की मोटाई और अपवर्तनांक सबसे उपयुक्त हैं, सेल की सुंदरता में सुधार होता है, क्योंकि इससे रंग और भी गहरा हो जाता है और फोटोकरंट हानि कम हो जाती है। लाल और नीले प्रकाश वाले उपकरणों ने क्रमशः 34.7% और 24.6% की पारगम्यता प्राप्त की। नीले रंग के उपकरण अवशोषित प्रकाश के 13.3% को बिजली में परिवर्तित कर सकते हैं, जिससे वे विकसित और परीक्षण किए गए सभी रंगीन उपकरणों में सबसे कुशल बन जाते हैं।.
• पेरोव्स्काइट सौर सेल तकनीक को धात्विक नैनोवायरों की मोटाई को क्रमशः 8, 20 और 45 एनएम तक बदलकर लाल, हरे और नीले तरंग दैर्ध्य के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। कांच के परावर्तन को उस तरंग दैर्ध्य के अनुसार समायोजित करके, जिसके लिए संबंधित सेल सबसे उपयुक्त है, अधिकतम विद्युत दक्षता क्रमशः 10.12%, 8.17% और 7.72% प्राप्त की गई।.
• रंग-संवेदी सौर सेल तरल इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करके प्रकाश को ग्रहण करते हैं और उसे उपयोगी ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं, ठीक उसी तरह जैसे प्राकृतिक रंगद्रव्य पौधों में प्रकाश संश्लेषण को संभव बनाते हैं। पत्तियों में हरे रंग के लिए क्लोरोफिल विशिष्ट रंगद्रव्य है, जबकि कैरोटीनॉयड और एंथोसायनिन जैसे अन्य प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले रंगद्रव्य नारंगी और बैंगनी रंग के विभिन्न रूप उत्पन्न करते हैं। कॉन्सेप्सियन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने रंग-संवेदी रंगीन सौर सेल की व्यवहार्यता प्रदर्शित की है जो न केवल चमकीले दिखाई देते हैं बल्कि प्रकाश की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य को भी चुनिंदा रूप से अवशोषित करते हैं। यह कम लागत वाला समाधान माक्वी फल, ब्लैक मर्टल और पालक से प्राप्त प्राकृतिक रंगद्रव्यों का उपयोग संवेदक के रूप में करता है। इन प्राकृतिक संवेदकों को पारदर्शी कांच की दो परतों के बीच रखा जाता है। हालांकि इन विशेष रूप से सस्ते सेल की दक्षता अभी स्पष्ट नहीं है, कार्बनिक रंग-संवेदी सौर सेल पर पिछले शोध में 9.8% की उच्च शक्ति रूपांतरण दक्षता प्राप्त की गई है।.

पारदर्शी सौर सेल में विद्युत संवाहक के रूप में कांच के अंदरूनी भाग पर टिन ऑक्साइड की परत चढ़ाई जाती है। सेल में फोटोइलेक्ट्रिक डाई से लेपित टाइटेनियम ऑक्साइड होता है।.

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

पारदर्शी फोटोवोल्टिक्स के लिए एक अन्य शब्द "अर्धपारदर्शी फोटोवोल्टिक्स" है (ये आपतित प्रकाश का केवल आधा भाग ही गुजरने देते हैं)। अकार्बनिक फोटोवोल्टिक्स की तरह, कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स भी अर्धपारदर्शी हो सकते हैं।.

गैर-तरंगदैर्घ्य चयनात्मक

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

तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक न होने वाले फोटोवोल्टिक्स की एक अन्य शाखा में दृश्य रूप से अवशोषित होने वाले पतले-फिल्म अर्धचालकों का उपयोग किया जाता है जिनकी मोटाई कम होती है या बैंड गैप इतना बड़ा होता है कि प्रकाश उनसे होकर गुजर सके। इसके परिणामस्वरूप अर्ध-पारदर्शी फोटोवोल्टिक्स बनते हैं जिनमें दक्षता और संचरण के बीच सीधा संतुलन होता है, जैसा कि स्थानिक रूप से खंडित अपारदर्शी सौर कोशिकाओं में होता है।.

तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक न होने वाले फोटोवोल्टिक्स की एक अन्य शाखा में कम मोटाई वाले या पर्याप्त रूप से बड़े बैंड गैप वाले दृश्य रूप से अवशोषित करने वाले पतले-फिल्म अर्धचालकों का उपयोग किया जाता है जो प्रकाश को गुजरने देते हैं। इसके परिणामस्वरूप अर्ध-पारदर्शी फोटोवोल्टिक्स बनते हैं जिनमें स्थानिक रूप से खंडित अपारदर्शी सौर कोशिकाओं के समान दक्षता और संचरण के बीच सीधा संतुलन होता है।.

तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक फोटोवोल्टिक्स

तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक फोटोवोल्टिक्स (WSPV) केवल UV और/या NIR प्रकाश को अवशोषित करने वाली सामग्रियों के उपयोग से पारदर्शिता प्राप्त करता है और इसे पहली बार 2011 में प्रस्तुत किया गया था। उच्च पारगम्यता के बावजूद, कई समस्याओं के कारण ऊर्जा रूपांतरण दक्षता कम होती है। इनमें छोटी एक्सिटॉन प्रसार लंबाई, दक्षता से समझौता किए बिना पारदर्शी इलेक्ट्रोड का आकार कम करना और WSPV में उपयोग की जाने वाली कार्बनिक सामग्रियों की अंतर्निहित अस्थिरता के कारण समग्र जीवनकाल शामिल हैं।.

पारदर्शी और अर्धपारदर्शी फोटोवोल्टिक्स में नवाचार

दृश्य स्पेक्ट्रम में अवशोषित होने वाली अत्यंत पतली सक्रिय परतों वाले गैर-तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक अर्ध-पारदर्शी कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स विकसित करने के प्रारंभिक प्रयासों में दक्षता 1% से कम रही। हालाँकि, 2011 में, कार्बनिक क्लोरोएल्युमिनियम थैलोसायनिन दाता (ClAlPc) और फुलेरीन स्वीकर्ता का उपयोग करने वाले पारदर्शी कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स ने पराबैंगनी और निकट-अवरक्त (NIR) स्पेक्ट्रम में लगभग 1.3% की दक्षता और 65% से अधिक दृश्य प्रकाश संचरण के साथ अवशोषण प्रदर्शित किया। 2017 में, MIT के शोधकर्ताओं ने कार्बनिक सौर कोशिकाओं पर पारदर्शी ग्राफीन इलेक्ट्रोड को सफलतापूर्वक जमा 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 ट्राईआयोडाइड पेरोव्स्काइट और सिल्वर नैनोवायर ग्रिड टॉप इलेक्ट्रोड वाले एक अर्ध-पारदर्शी पेरोव्स्काइट सौर सेल ने 800 एनएम की तरंगदैर्ध्य पर 79% का संचरण और लगभग 12.7% की दक्षता प्रदर्शित की।.