प्लाज़्मोनिक सौर सेल

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एक प्लास्मोनिक-वर्धित सौर सेल, जिसे सामान्यत: प्लास्मोनिक सौर सेल के रूप में संदर्भित किया जाता है, एक प्रकार का सौर सेल (इसमें पतली-फिल्म या वेफर-आधारित सेल सम्मलित है) होती है जो प्लास्मोन्स की सहायता से प्रकाश को बिजली में परिवर्तित करती है, लेकिन यहाँ फोटोवोल्टिक प्रभाव किसी अन्य पदार्थ में घटित होता है।[1][2][3]एक प्रत्यक्ष प्लास्मोनिक सौर सेल एक सौर सेल होता है जो सक्रिय, फोटोवोल्टिक पदार्थ के रूप में प्लास्मोन्स का उपयोग करके प्रकाश को बिजली में परिवर्तित करता है।

सक्रिय पदार्थ की मोटाई पारंपरिक सिलिकॉन पीवी (~ 100-200 माइक्रोन वेफर्स) से भिन्न होती है,[4] जो 2 माइक्रोन से कम मोटी, और सैद्धांतिक रूप से 100 एनएम जितनी पतली हो सकती है।[5] ये उपकरण सिलिकॉन से सस्ती सब्सट्रेट पर, जैसे कांच, इस्पात, प्लास्टिक या अन्य बहुलक पदार्थ पर समर्थित स्थित हो सकते है।[6] पतली फिल्म सौर सेल की सभी चुनौतियों में से एक सबसे बड़ी चुनौती यह होती है कि वे समान अवशोषण गुणांक वाली सामग्रियों से बने मोटे सौर सेल के समान प्रकाश को अवशोषित नहीं करते हैं। प्रकाश को अवशोषित करने की विधियों में एक पतली फिल्म सौर सेल की आवश्कता होती हैं।[7]

प्लाज़्मोनिक-संवर्धित सेल में धातु नैनोकणों का उपयोग करके प्रकाश को बिखेर कर अवशोषण में सुधार करती हैं | [8] पतली फिल्म सौर सेल के सामने स्थित प्लास्मोनिक कोर-सेल नैनोकण निकट-अवरक्त क्षेत्र में सी सौर सेल के कमजोर अवशोषण में सहायता करते हैं - प्रकाश का अंश सब्सट्रेट में बिखरा हुआ होता है और अधिकतम ऑप्टिकल पथ की लंबाई में वृद्धि 3133 से अधिक नही हो सकती है।[3]दूसरी ओर, प्रत्यक्ष प्लास्मोनिक सौर सेल इस तथ्य का लाभ उठाती हैं कि प्लास्मोन अनुनाद आवृत्ति पर आने वाली रोशनी नैनोकणों की सतह पर इलेक्ट्रॉन दोलनों को प्रेरित करती है। दोलन इलेक्ट्रॉनों को विद्युत प्रवाह उत्पन्न करने वाली एक प्रवाहकीय परत द्वारा एकत्रित किया जाता है। उत्पादित वोल्टेज प्रवाहकीय परत के बैंडगैप और नैनोकणों के संपर्क में इलेक्ट्रोलाइट की क्षमता पर निर्भर करता है।

इन प्रौद्योगिकियों को उनकी पूरी क्षमता तक पहुंचने और प्लास्मोनिक सौर सेल के व्यावसायीकरण को सक्षम करने के लिए अभी भी अधिक शोध की आवश्यकता होती है।[5]

इतिहास

डिवाइस

वर्तमान में सौर सेल की तीन अलग-अलग पीढ़ियां उपस्थित हैं। पहली पीढ़ी (जो आज बाजार में हैं) क्रिस्टलीय अर्धचालक वेफर के साथ बनाई जाती हैं, जिसमें क्रिस्टलीय सिलिकॉन की बाजार भागेदारी 93% थी और 2016 में इसमें लगभग 75 GW को स्थापित किया गया था। [9] वर्तमान में सौर सेल सतह पर पिरामिड बनाकर प्रकाश को एकत्रित किया जाता हैं जिनके आयाम अधिकांश पतली फिल्म सौर सेल से बड़े होते हैं। सब्सट्रेट की सतह को खुरदरा बनाने के लिए (सामान्यत: SnO2 या ZnO सतह पर) तरंग दैर्ध्य के क्रम पर आयामों के साथ और एससी को शीर्ष पर एकत्रित किया जाता है। यह विधि प्रकाशिक धारा को बढ़ाती है, जिस कारण पतली फिल्म सौर सेल की पदार्थ की गुणवत्ता कम हो जाती है।[10]

दूसरी पीढ़ी के सौर सेल पतली फिल्म प्रौद्योगिकियों पर आधारित होते हैं जैसे कि यहां प्रस्तुत किए गए हैं। ये सौर सेल ऊर्जा उत्पादन बढ़ाने के साथ-साथ उपयोग की जाने वाली पदार्थ की मात्रा को कम करने पर ध्यान केंद्रित करते हैं। तीसरी पीढ़ी के सौर सेल पर वर्तमान में शोध किया जा रहा है। वे दूसरी पीढ़ी के सौर सेल की लागत को कम करने पर ध्यान केंद्रित करते हैं।[11] तीसरी पीढ़ी के एससी पर वर्तमान में हुई प्रगति अनुभाग के अनुसार अधिक विस्तार से चर्चा की गई है।

डिजाइन

प्लास्मोनिक-संवर्धित सौर सेल की डिज़ाइने सतह पर और पदार्थ के माध्यम से प्रकाश को एकत्रित करने और बिखेरने के लिए उपयोग की जाने वाली विधि के आधार पर भिन्न होती है।

नैनोकण सेल

A plasmonicप्रकाश को वितरित करने और अवशोषण को बढ़ाने के लिए धातु नैनोकणों का उपयोग करने वाला उन्नत सौर सेल। धातु नैनो-कणों का उपयोग करते हुए पीएससी।

एक सामान्य डिजाइन सौर का कार्य सेल की ऊपरी सतह पर धातु के नैनो-कणों को एकत्रित करना होता है। जब प्रकाश इन धातु के नैनो-कणों को उनकी सतह के समतल प्रतिध्वनि पर टकराता है, तो प्रकाश कई अलग-अलग दिशाओं में बिखर जाता है। यह प्रकाश को सौर सेल के साथ यात्रा करने और सब्सट्रेट और नैनो-कणों के बीच उछाल की अनुमति देता है जिससे सौर सेल अधिक प्रकाश को अवशोषित करता है।[12] धातु नैनोकणों के स्थानीयकृत सतह प्लास्मोन द्वारा प्रेरित निकट क्षेत्र की तीव्रता अर्धचालकों के ऑप्टिकल अवशोषण को बढ़ावा देती है। हाल ही में, नैनोकणों के प्लाज्मोनिक असममित मोड ने ब्रॉडबैंड ऑप्टिकल अवशोषण को बढ़ावा दिया था और सौर कोशिकाओं के विद्युत गुणों को भी बढ़ावा दिया था। नैनोकणों के एक साथ प्लास्मोन-ऑप्टिकल और प्लास्मोन-इलेक्ट्रिकल प्रभाव नैनोपार्टिकल प्लास्मोन की एक आशाजनक विशेषता को प्रकट करते हैं।

हाल ही में, कोर (धातु)- शेल नैनोपार्टिकल ने एसआई सब्सट्रेट पर उन्नत आगे के प्रकीर्णन के साथ एक शून्य पिछड़ा प्रकीर्णन का प्रदर्शन किया था तब सतह प्लास्मोन सौर सेल के सामने स्थित होता है। कोर-शेल नैनोपार्टिकल्स एक साथ विद्युत और चुंबकीय अनुनाद दोनों का समर्थन कर सकते हैं, नंगे(बेर) धातु नैनोकणों की तुलना में पूरी तरह से नए गुणों का प्रदर्शन करते हैं यदि अनुनाद ठीक से इंजीनियर किए जाते हैं।

इन प्रभावों केअतिरिक्त, सौर सेल धातु के नैनोकणों का उपयोग अधिक ऑप्टिकल हानि ला सकता है, मुख्यतः आंशिक छायांकन और टकराने वाले प्रकाश के प्रतिबिंब के कारण। इसके अतिरिक्त, पतली फिल्म उपकरणों के पीछे की ओर उनका एकीकरण, विशेष रूप से अवशोषक परत और पीछे के धातु संपर्क (प्रतिबिंबित दर्पण के रूप में कार्य) के बीच, ऐसी स्थतियों को दूर कर सकता है क्योंकि कण केवल लंबी-तरंग दैर्ध्य प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करते हैं जो कमजोर होते है और सेल द्वारा अवशोषित होते है, जिसके लिए प्लास्मोनिक स्कैटरिंग प्रभाव स्पष्ट फोटोक्रेक्ट लाभ की अनुमति देता है। [13]

धातु फिल्म सेल

सौर ऊर्जा के संचयन के लिए सतह प्लास्मों का उपयोग करने वाली अन्य विधियाँ उपलब्ध होती हैं। एक अन्य प्रकार की संरचना में निचली सतह पर सिलिकॉन की एक पतली परत और धातु की एक पतली परत जमा होती है। प्रकाश सिलिकॉन के माध्यम से यात्रा करता है और सिलिकॉन और धातु के इंटरफेस पर सतह के प्लास्मों को उत्पन्न करता है। यह सिलिकॉन के अंदर विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है क्योंकि विद्युत क्षेत्र धातुओं में बहुत दूर तक यात्रा नहीं करते हैं। यदि विद्युत क्षेत्र अत्यधिक मजबूत होता है, तो इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित किया जा सकता है और फोटोकरंट उत्पन्न करने के लिए एकत्र किया जा सकता है। इस डिजाइन में धातु की पतली फिल्म में नैनोमीटर के आकार के खांचे होने चाहिए जो आने वाली रोशनी के लिए वेवगाइड के रूप में कार्य करते हैं जिससें सिलिकॉन पतली फिल्म में अधिक से अधिक फोटॉन को उत्तेजित करते है।[14]

सिद्धांत

सामान्य

Light effects on thin and thick solar cells
पतली फिल्म एससी (बाएं) और विशिष्ट एससी (दाएं)।

जब सौर सेल के सब्सट्रेट में एक फोटॉन उत्तेजित होता है, तो एक इलेक्ट्रॉन और छिद्र अलग हो जाते हैं। एक बार जब इलेक्ट्रॉन और छिद्र अलग हो जाते हैं, तो वे विपरीत आवेश के होने के कारण पुनः संयोजित होना चाहते है। परन्तु ऐसा होने से पहले इलेक्ट्रॉनों को एकत्र किया जाता है और उन्हें बाहरी परिपथ के लिए धारा के रूप में उपयोग किया जाता है। सौर सेल की मोटाई को डिजाइन करना हमेशा इस पुनर्संयोजन (पतली परत) को कम करने और अधिक फोटॉन (मोटी परत) को अवशोषित करने के मध्य एक ट्रेड-ऑफ से होता है।[12]

नैनो-कण

बिखराव और अवशोषण

प्लसोनिक-सवंर्धित सौर सेल के कार्यो के मूल सिद्धांतों में धातु नैनो-कणों के एकत्रित होने के कारण इसमें प्रकाश का बिखराव और अवशोषण सम्मलित होता है। सिलिकॉन प्रकाश को पूर्ण रूप से अवशोषित नहीं कर पता है। इस कारण से, अवशोषण को बढ़ाने के लिए अधिक प्रकाश को सतह पर बिखेरने की आवश्यकता होती है। यह पाया गया है कि धातु नैनो-कण सिलिकॉन सब्सट्रेट की सतह पर आने वाली रोशनी को बिखेरने में मदद करती हैं। प्रकाश के प्रकीर्णन और अवशोषण को नियंत्रित करने वाले समीकरणों को इस प्रकार दिखाया जा सकता है:

यह उन कणों के लिए प्रकाश के प्रकीर्णन को दर्शाता है जिनका व्यास प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से कम होता है।

यह बिंदु द्विध्रुव मॉडल के लिए अवशोषण को दर्शाता है।

यह कण की ध्रुवीकरण क्षमता होती है। V कण आयतन होता है। कण का डाइलेक्ट्रिक कार्य होता है। एम्बेडिंग माध्यम का डाइलेक्ट्रिक कार्य होता है। जब होता है तो कण की ध्रुवीकरण क्षमता बड़ी हो जाती है। इस ध्रुवीकरण मूल्य को सतह समतल अनुनाद के रूप में जाना जाता है। कम अवशोषण वाली धातुओं के लिए डाइलेक्ट्रिक कार्य निम्नानुसार परिभाषित किया जा सकता है:

पिछले समीकरण में, थोक प्लाज्मा आवृत्ति होती है। इसे इस प्रकार परिभाषित किया जाता है:

जहाँN मुक्त इलेक्ट्रॉनों का घनत्व होता है, e विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता होती है और m एक इलेक्ट्रॉन का प्रभावी द्रव्यमान होता है। मुक्त स्थान का डाइलेक्ट्रिक स्थिरांक होता है। इसलिए मुक्त स्थान में सतह समतल प्रतिध्वनि के समीकरण को निम्न द्वारा दर्शाया जा सकता है:

प्रकाश के प्रकीर्णन को बढ़ाने के लिए कई प्लास्मोनिक सौर सेल नैनो-कणों का उपयोग करते हैं। ये नैनो-कण गोले का आकार के होते हैं, और इसलिए गोले के लिए सतह समतल अनुनाद आवृत्ति वांछनीय होती है। पिछले समीकरणों को हल करके, मुक्त स्थान में एक गोले के लिए सतह समतल अनुनाद आवृत्ति को इस प्रकार दिखाया जा सकता है:

एक उदाहरण के रूप में, एक चांदी के नैनोकण के लिए सतह समतल अनुनाद पर, प्रकीर्णन वाला अनुप्रस्थ काट नैनोकण के अनुप्रस्थ काट का लगभग 10x होता है। नैनो-कणों का लक्ष्य एससी की सतह पर प्रकाश को अवशोषित करना होता है। नैनोकणों के लिए प्रकाश का अवशोषण महत्वपूर्ण नहीं होता है, बल्कि यह एससी के लिए महत्वपूर्ण होता है। कोई यह सोचेगा कि यदि नैनोकणों का आकार बढ़ा दिया जाए, तो प्रकीर्णन वाला अनुप्रस्थ काट बड़ा हो जाता होगा। तो हाँ ये यह सत्य है यह बड़ा हो जाता है, परन्तु, जब इसकी नैनोकण के आकार के साथ तुलना की जाती है, तो () का अनुपात कम हो जाता है। एक बड़े प्रकीर्णन अनुप्रस्थ काट वाले कणों में एक व्यापक प्लास्मोन अनुनाद सीमा उपस्थित होती है।

तरंग दैर्ध्य निर्भरता

सरफेस प्लास्मोन अनुनाद मुख्य रूप से कण में मुक्त इलेक्ट्रॉनों के घनत्व पर निर्भर करता है। विभिन्न धातुओं के लिए इलेक्ट्रॉनों के घनत्व का क्रम अनुनाद के अनुरूप प्रकाश के प्रकार के साथ नीचे दिखाया गया है।

यदि एम्बेडिंग माध्यम के लिए डाइलेक्ट्रिक स्थिरांक भिन्न होता है, तो गुंजयमान आवृत्ति को स्थानांतरित किया जा सकता है। अपवर्तन के उच्च सूचकांक एक लंबे गुंजयमान तरंग दैर्ध्य को जन्म देते है।

लाइट ट्रैपिंग

सब्सट्रेट और कणों के बीच प्रकाश को एकत्रित करने के लिए धातु नैनो-कणों को सब्सट्रेट से कुछ दूरी पर एकत्रित किया जाता है। कण सब्सट्रेट के शीर्ष पर एक पदार्थ में एम्बेडेड होते हैं। पदार्थ सामान्यत: एक डाइलेक्ट्रिक होते है, जैसे सिलिकॉन या सिलिकॉन नाइट्राइड इसके उदाहरण होते है। कण और सब्सट्रेट के बीच की दूरी के कारण सब्सट्रेट में प्रकिर्णित प्रकाश की मात्रा पर प्रयोग और सिमुलेशन करते समय, हवा को संदर्भ के रूप में एम्बेडिंग पदार्थ के रूप में उपयोग किया जाता है। यह पाया गया है कि सब्सट्रेट में विकीर्ण प्रकाश की मात्रा सब्सट्रेट से दूरी के साथ घट जाती है। इसका मतलब है कि सतह पर नैनो-कण सब्सट्रेट में प्रकाश को विकीर्णत करने के लिए आवश्क होता हैं, लेकिन अगर कण और सब्सट्रेट के बीच में कोई दूरी नहीं होती है, तो प्रकाश अवशोषित नहीं हो पाता है और इस प्रकार अधिक मात्रा प्रकाश बच जाता है।

सतह प्लास्मोन धातु और डाइलेक्ट्रिक के इंटरफेस पर चालन इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करता हैं। धात्विक नैनो-कणों का उपयोग सेमीकंडक्टर पतली फिल्म परत में स्वतंत्र रूप से फैलने वाली समतल तरंगों को जोड़ने और ट्रैप करने के लिए किया जाता है। अवशोषण को बढ़ाने के लिए प्रकाश को अवशोषित परत में मोड़ा जाता है। धातु के नैनो-कणों में स्थानीयकृत सतह प्लास्मोन और धातु और सेमीकंडक्टर के इंटरफेस पर सतह प्लास्मोन पोलरिटोन वर्तमान शोध में रुचि रखते हैं। हाल ही में प्रकाशित किए गए शोधों में, धातु के नैनो-कणों का आकार और दक्षता निर्धारित करने के लिए महत्वपूर्ण कारको की आवश्कता होती हैं। बढ़े हुए निकट-क्षेत्र युग्मन के कारण छोटे कणों में बड़ी इनक्यूप्लिंग दक्षता होती है। यघपि, बहुत छोटे कण बड़े ओमिक हानि से ग्रस्त होते हैं।[15]फिर भी, कुछ प्रकार के नैनोसंरचित सौर सेल में, जैसे कि उभरते हुए क्वांटम-डॉट इंटरमीडिएट बैंड फोटोवोल्टिक्स, प्लास्मोनिक नैनोकणों के आसपास के क्षेत्र में उत्पादित अत्यधिक तीव्र प्रकिर्णित निकट-क्षेत्र का उपयोग क्वांटम बिंदुओ में स्थानीय अवशोषण प्रवर्धन के लिए किया जाता है जो एक होस्टअर्धचालक में एम्बेडेड होते हैं।[16][17] हाल ही में, नैनो कणों के प्लास्मोनिक असममित मोड ने ब्रॉडबैंड ऑप्टिकल अवशोषण का पक्ष लिया था और सौर सेल के विद्युत गुणों को बढ़ावा दिया था। नैनोपार्टिकल्स के एक साथ प्लास्मोन-ऑप्टिकल और प्लास्मोन-इलेक्ट्रिकल प्रभाव नैनोपार्टिकल प्लास्मोन की एक आशाजनक विशेषता को प्रकट करते हैं।

धातु फिल्म

जैसे ही धातु की फिल्म की सतह पर प्रकाश आपतित होता है, तो यह सतह के प्लास्मों को उत्तेजित करता है। पदार्थ के लिए सतह समतल आवृत्ति विशिष्ट होती है, लेकिन फिल्म की सतह पर झंझरी के उपयोग के माध्यम से, विभिन्न आवृत्तियों को प्राप्त किया जाता है। वेवगाइड्स के उपयोग के माध्यम से सतह के प्लास्मों को भी संरक्षित किया जाता है क्योंकि वे सतह के प्लास्मों को सतह पर यात्रा करने के लिए इसको आसान बनाते हैं और प्रतिरोध और विकिरण के कारण होने वाली हानि को भी कम करते है। सतह के प्लास्मों द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को एकत्रित सब्सट्रेट की ओर यात्रा करने के लिए प्रभावित करता है। [18]

पदार्थ

पहली पीढ़ी दूसरी पीढ़ी तीसरी पीढ़ी
सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन सीयूएलएनएसई 2 गैलियम इंडियम फॉस्फाइड
मल्टीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन अमोरफूस सिलिकॉन गैलियम इंडियम आर्सेनाइड
पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन पतली फिल्म क्रिस्टलीय एसआई जर्मेनियम

[11][19]

अनुप्रयोग

प्लास्मोनिक-वर्धित सौर सेल के लिए कई अनुप्रयोग उपस्थित होते हैं। सस्ते और अधिक कुशल सौर सेल की अधिक आवश्यकता होती है। सौर सेल को लागत प्रभावी माना जाने के लिए, उन्हें कोयले और पेट्रोल जैसे पारंपरिक ऊर्जा स्रोतों की तुलना में कम कीमत पर ऊर्जा प्रदान करने की आवश्यकता होती है। अधिक हरित दुनिया की ओर आंदोलन ने प्लास्मोनिक-संवर्धित सौर सेल के क्षेत्र में अनुसंधान को बढ़ावा देने में मदद की है। वर्तमान में, सौर सेल लगभग 30% (पहली पीढ़ी) की क्षमता से अधिक नहीं हो सकते। नई तकनीकों (तीसरी पीढ़ी) के साथ, 40-60% तक की दक्षता की उम्मीद की जा सकती है। पतली फिल्म प्रौद्योगिकी (दूसरी पीढ़ी) के उपयोग के माध्यम से पदार्थ में कमी के साथ कीमतों को कम किया जा सकता है।

प्लास्मोनिक-वर्धित सौर सेल कुछ अनुप्रयोग अंतरिक्ष अन्वेषण वाहनों के लिए के होंगे। जिसमे सौर सेल का वजन कम होगा। यदि सौर सेल से पर्याप्त शक्ति उत्पन्न की जा सकती है तो बाहरी ईंधन स्रोत की भी आवश्यकता नहीं होगी। इससे वजन कम करने में भी अधिक मदद मिलेगी।

ग्रामीण विद्युतीकरण में मदद करने के लिए सौर सेल की एक बड़ी क्षमता की आवश्कता होती है। भूमध्य रेखा के पास अनुमानित दो मिलियन गांवों में बिजली और जीवाश्म ईंधन तक सीमित पहुंच होती है, और लगभग 25%[20] दुनिया में लोगों की बिजली नही प्राप्त हो पाती है। जब पावर ग्रिड का विस्तार करने, ग्रामीण बिजली चलाने और डीजल जनरेटर का उपयोग करने की लागत की तुलना सौर सेल की लागत से की जाती है, तो कई मामलों में सौर सेल बेहतर होते हैं। यदि वर्तमान सौर सेल प्रौद्योगिकी की दक्षता और लागत और भी कम हो जाती है, तो दुनिया भर के कई ग्रामीण समुदाय और गांव बिजली प्राप्त कर सकते हैं। ग्रामीण समुदायों के लिए विशिष्ट अनुप्रयोग जल पम्पिंग सिस्टम,आवासीय विद्युत आपूर्ति और स्ट्रीट लाइट होंगे। एक विशेष रूप से महत्वपूर्ण अनुप्रयोग उन देशों में स्वास्थ्य प्रणालियों के लिए होगा जहां मोटर चालित वाहन अत्यधिक प्रचुर मात्रा में नहीं उपस्थित होते हैं। परिवहन के दौरान कूलर में दवाओं को ठंडा करने की शक्ति प्रदान करने के लिए सौर सेल का उपयोग किया जा सकता है।

सौर सेल समुद्र में प्रकाशस्तंभ, प्लवों, या यहां तक ​​कि युद्धपोतों को भी शक्ति प्रदान कर सकते हैं। औद्योगिक कंपनियाँ उनका उपयोग दूरसंचार प्रणालियों या पाइपलाइनों के साथ निगरानी और नियंत्रण प्रणालियों को चलाने के लिए करती हैं।[21]

यदि सौर सेल का बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जाता है और लागत प्रभावी होती है, तो विद्युत ग्रिड को बिजली प्रदान करने के लिए पूरे बिजली स्टेशनों का निर्माण किया जाता है। आकार में कमी के साथ, उन्हें वाणिज्यिक और आवासीय भवनों दोनों पर बहुत छोटे पदचिह्न के साथ लागू किया जाता है।[21]अन्य अनुप्रयोग हाइब्रिड सिस्टम में होते हैं। उपयोग किए जाने वाले जीवाश्म ईंधन की मात्रा को कम करने के लिए सौर सेल ऑटोमोबाइल जैसे उच्च खपत वाले उपकरणों को बिजली देने में मदद करते हैं।

उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स उपकरणों में, कम बिजली वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए बैटरी को बदलने के लिए सौर सेल का उपयोग किया जाता है। इससे पैसे की बचत होती है और लैंडफिल में जाने वाले कचरे की मात्रा भी कम होती है।[22]

हालिया प्रगति

प्लसोनिक धातु नैनो-कणों का विकल्प

सक्रिय परत में अधिकतम प्रकाश अवशोषण के लिए प्लास्मेटिक धातु नैनोकणों का उचित महत्वपूर्ण विकल्प होता है। चांदी और सोने (एजी और एयू) के सामने की सतह पर स्थित नैनोपार्टिकल्स उनकी सतह प्लास्मोन अनुनादों के दृश्यमान रेंज में स्थित होने के कारण सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली पदार्थ होती हैं, इसलिए शिखर सौर तीव्रता के साथ अधिक मजबूती से अंतःक्रिया करते हैं। यघपि, इस तरह के महान धातु नैनोकणों ने सदैव सतह प्लास्मोन अनुनाद के नीचे कम तरंग दैर्ध्य पर सी में कम प्रकाश युग्मन का परिचय दिया, जो प्रकिर्णित हुए और अप्रकाशित प्रकाश के बीच विनाशकारी हानिकारक प्रभाव के कारण होता है। इसके अतिरिक्त, उच्च लागत और पृथ्वी की सतह में कमी के कारण महान धातु नैनो-कण बड़े पैमाने पर सौर सेल निर्माण के लिए उपयोग करने के लिए अव्यावहारिक होते हैं। हाल ही में, झांग एट अल ने प्रदर्शित किया कि कम लागत और पृथ्वी-प्रचुर मात्रा में एल्यूमीनियम (एआई) नैनो-कण व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले एजी और एयू नैनोकणों से बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं। अल नैनोपार्टिकल्स, 300 एनएम पर वांछित सौर स्पेक्ट्रम किनारे के नीचे यूवी क्षेत्र में स्थित उनकी सतह प्लास्मोन अनुनादों के साथ कम तरंग दैर्ध्य रेंज में वृद्धि का परिचय देते हैं।[23][24]

नैनो-कणों के आकार का चुनाव

आकार रेफरी
नैनोस्फीयर [25]
नैनोस्टार [26]
कोर-शेल नैनोपार्टिकल
नैनोडिस्क [27]
नैनोकैविटी [28]
नैनोवॉइड [29]
न्यूक्लियेटेड नैनोपार्टिकल [30]
नैनोकेज [31]
कोर-शेल नैनोपार्टिकल [3]

अब्ज़ॉर्प्शन बढ़ाने के लिए लाइट ट्रैपिंग

जैसा कि पहले चर्चा की गई थी, प्लास्मोनिक-वर्धित सौर सेल की सतह या पीछे की ओर से प्रकाश को केंद्रित करने और प्रकीर्णन में सक्षम होने से दक्षता बढ़ाने में मदद मिलेगी, विशेषकर जब पतली फोटोवोल्टिक पदार्थ को नियोजित किया जाता है।[32] हाल ही में, सांडिया राष्ट्रीय प्रयोगशालाएँ में शोध ने एक फोटोनिक वेवगाइड की खोज की है जो एक निश्चित तरंग दैर्ध्य पर प्रकाशको एकत्र करता है और इसे संरचना के भीतर अवशोषित करता है। अन्य पारंपरिक वेवगाइड्स के लिए 30% की तुलना में इस नई संरचना में 95% प्रकाश हो सकता है जो इसमें प्रवेश करता है। यह प्रकाश को एक तरंग दैर्ध्य के भीतर भी निर्देशित कर सकता है जो पारंपरिक वेवगाइड्स की तुलना में दस गुना अधिक होता है। इस डिवाइस द्वारा कैप्चर की गई तरंग दैर्ध्य संरचना को बदलकर चुना जा सकता है जिसमें अन्य संरचना सम्मलित होती है। यदि इस संरचना का उपयोग प्रकाश को ट्रैप करने और संरचना में तब तक रखने के लिए किया जाता है जब तक कि सौर सेल इसे अवशोषित न कर ले, तो सौर सेल की दक्षता में नाटकीय रूप से वृद्धि हो सकती है।[33]प्लास्मोनिक-वर्धित सौर सेल में एक और हालिया प्रगति प्रकाश के अवशोषण में सहायता के लिए अन्य तरीकों का उपयोग कर रही है। शोध की जा रही एक विधि प्रकाश को बिखेरने के लिए सब्सट्रेट के ऊपर धातु के तारों का उपयोग आवश्क होता है। यह प्रकाश के प्रकीर्णन और अवशोषण के लिए सौर सेल की सतह के एक बड़े क्षेत्र का उपयोग करने में मदद करता है। बिंदुओ के अतिरिक्त लाइनों का उपयोग करने में एक परावर्तक परत का निर्माण होगा जो सिस्टम से प्रकाश को अस्वीकार कर देगा। यह सौर सेल के लिए बहुत अवांछनीय होते है। यह पतली धातु फिल्म दृष्टिकोण के समान ही होगा, लेकिन यह नैनो-कणों के प्रकीर्णन प्रभाव का भी उपयोग करता है।[34] यू एट अल अल्ट्राथिन ने ए-सी सौर सेल के अवशोषण को बढ़ाने के लिए एक प्रकार की नई पदार्थ का प्रयोग किया था, जिसे टोपोलॉजिकल इंसुलेटर कहा जाता है। टोपोलॉजिकल इंसुलेटर नैनोस्ट्रक्चर में आंतरिक रूप से कोर-शेल कॉन्फ़िगरेशन होता है। एक कोर डाइलेक्ट्रिक वो होता है इसमें अल्ट्राहाई अपवर्तक सूचकांक होता है। खोल धात्विकवो होता है जो सतह समतल अनुनादों का समर्थन करता है। ए-सी पतली फिल्म सौर सेल में नैनोकोन सरणियों को एकीकृत करने के माध्यम से, पराबैंगनी और दृश्य श्रेणियों में प्रकाश अवशोषण में 15% तक की वृद्धि की भविष्यवाणी की गई थी।[35]

तीसरी पीढ़ी

तीसरी पीढ़ी के सौर सेल का लक्ष्य दूसरी पीढ़ी के सौर सेल (पतली फिल्म) और पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में पाए जाने वाले पदार्थों का उपयोग करके दक्षता में वृद्धि करना होता है। यह थिन फिल्म सोलर सेल का भी एक लक्ष्य रहा होता है। सामान्य और सुरक्षित सामग्रियों के उपयोग से, तीसरी पीढ़ी के सौर सेल बड़ी मात्रा में निर्मित होने में सक्षम होने चाहिए, जिससे लागत में और कमी आती है। निर्माण प्रक्रियाओं का उत्पादन करने के लिए प्रारंभिक लागत अधिक होती है, लेकिन उसके बाद वे सस्ती होनी चाहिए। जिस तरह से तीसरी पीढ़ी के सौर सेल दक्षता में सुधार करने में सक्षम होंगे, वह आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को अवशोषित करने में भी सक्षम होंगे। सिंगल बैंड गैप उपकरणों के उपयोग के कारण वर्तमान पतली फिल्म तकनीक को एक आवृत्ति तक सीमित कर दिया गया है।[11]

एकाधिक ऊर्जा स्तर

एकाधिक ऊर्जा स्तर सौर सेल के लिए विचार मूल रूप से एक दूसरे के शीर्ष पर पतली फिल्म सौर सेल को एकत्रित करना होता है। प्रत्येक पतली फिल्म सौर सेल में एक अलग बैंड गैप होगा, जिसका अर्थ है कि यदि सौर स्पेक्ट्रम का पहला भाग सेल द्वारा अवशोषित नहीं किया गया था, तो नीचे वाला स्पेक्ट्रम के भाग को अवशोषित करने में सक्षम होगा। इन्हें स्टैक किया जा सकता है और अधिकतम मात्रा में बिजली का उत्पादन करने के लिए प्रत्येक सेल के लिए एक इष्टतम बैंड गैप का उपयोग किया जा सकता है। प्रत्येक सेल को कैसे जोड़ा जा सकता है, इसके लिए कई विकल्प हैं, जैसे सीरियल या समानांतर में। सीरियल कनेक्शन वांछित होते है क्योंकि सौर सेल का आउटपुट सिर्फ दो लीड देता है।

प्रत्येक पतली फिल्म सेल में जाली संरचना समान होनी चाहिए। अगर ऐसा नहीं होता है तो हानि होगी। परतों को जमा करने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रक्रियाएँ जटिल होती हैं। इनमें मॉलिक्यूलर बीम एपिटॉक्सी और मेटल ऑर्गेनिक वेपर फेज एपिटॉक्सी सम्मिलित होते हैं। वर्तमान दक्षता रिकॉर्ड इस प्रक्रिया के साथ बनाया गया है, लेकिन इसमें त्रुटिहीन मिलान जाली स्थिरांक नहीं होते हैं। इसके कारण होने वाले नुकसान उतने प्रभावी नहीं होते हैं क्योंकि जाली में अंतर पहले दो सेल के लिए अधिक इष्टतम बैंड गैप पदार्थ की अनुमति देता है। इस प्रकार के सेल के 50% कुशल होने की उम्मीद होती है।

कम गुणवत्ता वाली पदार्थ जो सस्ता निक्षेपण प्रक्रियाओं का उपयोग करती है, पर भी शोध किया जा रहा है। ये उपकरण उतने कुशल नहीं हैं, लेकिन कीमत, आकार और शक्ति संयुक्त रूप से उन्हें लागत प्रभावी बनाने की अनुमति देते हैं। चूंकि प्रक्रियाएं सरल हैं और सामग्रियां अधिक आसानी से उपलब्ध होते हैं, इसलिए इन उपकरणों का बड़े पैमाने पर उत्पादन अधिक किफायती होते है।

गर्म वाहक सेल

सौर सेल के साथ एक समस्या यह है कि उच्च ऊर्जा फोटॉन जो सतह पर आते हैं, गर्मी में परिवर्तित हो जाते हैं। यह सेल के लिए एक हानि होती है क्योंकि आने वाले फोटॉन प्रयोग करने योग्य ऊर्जा में परिवर्तित नहीं होते हैं। गर्म वाहक सेल का लक्ष्य उस आने वाली ऊर्जा में से कुछ का उपयोग करना होता है जो गर्मी में परिवर्तित हो जाती है। यदि गर्म रहते हुए इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को एकत्र किया जा सकता है, तो सेल से उच्च वोल्टेज प्राप्त किया जा सकता है। ऐसा करने में समस्या यह है कि संपर्क जो इलेक्ट्रॉनों और छेदों को इकट्ठा करते हैं, पदार्थ को ठंडा कर देते है। इस प्रकार अब तक, संपर्कों को सेल को ठंडा करने से रोकना सैद्धांतिक रहा है। उत्पन्न गर्मी का उपयोग करके सौर सेल की दक्षता में सुधार करने का एक अन्य तरीका एक सेल होता है जो कम ऊर्जा वाले फोटॉन को इलेक्ट्रॉन और छिद्र जोड़े को उत्तेजित करने की अनुमति देता है। इसके लिए एक छोटे बैंडगैप की आवश्यकता होती है। एक चयनात्मक संपर्क का उपयोग करके, उच्च ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों को सेल के माध्यम से आगे बढ़ने की अनुमति देते हुए कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को एकत्र किया जा सकता है। चयनात्मक संपर्क एक डबल बैरियर गुंजयमान टनलिंग संरचना का उपयोग करके बनाए जाते हैं। वाहकों को ठंडा किया जाता है जिसे वे फोनन के साथ बिखेरते हैं। अगर किसी पदार्थ में फोनन का एक बड़ा बैंडगैप है तो वाहक अधिक गर्मी को संपर्क में ले जाएंगे और यह जाली(नेट) संरचना में में विलुप्त नही होता है। एक पदार्थ जिसमें फोनन का एक बड़ा बैंडगैप होता है, वह इंडियम नाइट्राइड होता है। गर्म वाहक सेल अपनी शैशवावस्था में होते हैं लेकिन प्रायोगिक अवस्था की ओर बढ़ने लगते हैं।

प्लाज़्मोनिक-विद्युत सौर सेल

ट्यून करने योग्य प्रतिध्वनि और अभूतपूर्व निकट-क्षेत्र वृद्धि की अनूठी विशेषताओं के साथ, प्लास्मोन प्रकाश प्रबंधन के लिए एक सक्षम तकनीक होती है। हाल ही में, धात्विक नैनोस्ट्रक्चर पेश करके पतली-फिल्म सौर सेल के प्रदर्शन में स्पष्ट सुधार किया गया है। सुधार मुख्य रूप से प्रकाश प्रसार, अवशोषण और प्रकीर्णन में हेरफेर करने के लिए प्लास्मोनिक-ऑप्टिकल प्रभावों के लिए उत्तरदायी होते हैं। प्लास्मोनिक-ऑप्टिकल प्रभाव: (1) सक्रिय पदार्थ के ऑप्टिकल अवशोषण को बढ़ावा देता है; (2) धात्विक नैनोस्ट्रक्चर के आसपास स्थानीयकृत निकट-क्षेत्र वृद्धि के कारण सक्रिय परत पर प्रकाश अवशोषण को स्थानिक रूप से पुनर्वितरित करता है। प्लास्मोनिक-ऑप्टिकल प्रभावों को छोड़कर, प्लास्मोनिक रूप से संशोधित आनुवंशिक पुनर्संयोजन, परिवहन और फोटोकैरियर्स (इलेक्ट्रॉनों और छेदों) के संग्रह के प्रभाव, इसके बाद प्लास्मोनिक-इलेक्ट्रिकल प्रभाव नामित, एटल द्वारा प्रस्तावित किए जाते हैं।[36][37] उपकरण के प्रदर्शन को बढ़ावा देने के लिए, उन्होंने एक सामान्य डिजाइन नियम की कल्पना की, जो फोटोकैरियर्स के परिवहन पथों को तय करने के लिए मनमाने ढंग से इलेक्ट्रॉन से छेद गतिशीलता अनुपात के अनुरूप होता है।[37]डिजाइन नियम बताता है कि इलेक्ट्रॉन टू होल ट्रांसपोर्ट लम्बाई अनुपात को इलेक्ट्रॉन टू होल गतिशीलता अनुपात के साथ संतुलित किया जाना चाहिए। दूसरे शब्दों में, इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों का परिवहन समय (प्रारंभिक पीढ़ी साइटों से संबंधित इलेक्ट्रोड तक) समान होना चाहिए। उपकरणों की सक्रिय परत (प्लास्मोनिक-विद्युत प्रभाव के साथ) पर प्रकाश अवशोषण को स्थानिक रूप से पुनर्वितरित करके सामान्य डिजाइन नियम को अनुभव किया जा सकता है। उन्होंने प्लास्मोनिक-इलेक्ट्रिकल ऑर्गेनिक सोलर सेल में अंतरिक्ष प्रभार लिमिट को तोड़ने का भी प्रदर्शन किया।[36]हाल ही में, नैनो कणों के प्लास्मोनिक असममित मोड ने ब्रॉडबैंड ऑप्टिकल अवशोषण का पक्ष लिया है और सौर सेल के विद्युत गुणों को बढ़ावा दिया है। नैनोपार्टिकल्स के एक साथ प्लास्मोन-ऑप्टिकल और प्लास्मोन-इलेक्ट्रिकल प्रभाव नैनोपार्टिकल प्लास्मोन की एक आशाजनक विशेषता को प्रकट करते हैं। [38]

अल्ट्रा-थिन प्लास्मोनिक वेफर सोलर सेल

न्यूनतम दक्षता हानि पर सिलिकॉन वेफर की मोटाई कम करना वेफर-आधारित सौर सेल की लागत-प्रभावशीलता बढ़ाने में एक मुख्यधारा की प्रवृत्ति का प्रतिनिधित्व करता है। हाल ही में, झांग एट अल। ने प्रदर्शित किया है कि, उचित रूप से डिज़ाइन किए गए नैनो-पार्टिकल आर्किटेक्चर के साथ उन्नत लाइट ट्रैपिंग रणनीति का उपयोग करके, वेफर की मोटाई नाटकीय रूप से वर्तमान मोटाई (180μm) के लगभग 1/10 तक कम हो सकती है, बिना किसी सौर सेल दक्षता हानि के 18.2% पर। वर्तमान वेफर मोटाई के केवल 3% के साथ नैनो-कण एकीकृत अल्ट्रा-थिन सौर सेल संभावित रूप से 15.3% दक्षता प्राप्त कर सकते हैं जो पतले वेफर प्रेरित ओपन सर्किट वोल्टेज वृद्धि के लाभ के साथ अवशोषण वृद्धि को जोड़ती है। यह केवल 15% सापेक्ष दक्षता हानि के साथ 97% पदार्थ की बचत का प्रतिनिधित्व करता है। ये परिणाम प्लास्मोनिक लाइट ट्रैपिंग के साथ उच्च दक्षता वाले अल्ट्रा-थिन सिलिकॉन वेफर सेल प्राप्त करने की व्यवहार्यता और संभावना को प्रदर्शित करते हैं।[39]

प्रत्यक्ष प्लसोनिक सौर सेल

प्रत्यक्ष प्लास्मोनिक सौर सेल का विकास जो सीधे प्रकाश अवशोषक के रूप में प्लास्मोनिक नैनोकणों का उपयोग करता है, प्लास्मोनिक-वर्धित सेल की तुलना में बहुत अधिक कम वजन के होते है।

2013 में यह पुष्टि की गई थी कि प्लास्मोनिक नैनोकणों में गर्म वाहक स्थानीय सतह प्लास्मोन अनुनाद के उत्तेजना से उत्पन्न हो सकते हैं।[40] गर्म इलेक्ट्रॉनों को टीआईओ में इंजेक्शन दिखाया गया था। चालन बैंड, बिजली में प्रकाश रूपांतरण के लिए उनकी उपयोगिता की पुष्टि करता है। 2019 में एक अन्य लेख प्रकाशित किया गया था जिसमें बताया गया था कि कैसे गर्म इलेक्ट्रॉनों के समकक्ष, हॉट होल को भी पी-टाइप सेमीकंडक्टर में इंजेक्ट किया जा सकता है।[41] आवेशों का यह पृथक्करण फोटोवोल्टिक सेल में प्रकाश अवशोषक के रूप में प्लास्मोनिक नैनोकणों के प्रत्यक्ष उपयोग को सक्षम बनाता है।

उप्साला विश्वविद्यालय की एक स्पिन-ऑफ कंपनी, पीफॉवल सोलर पावर, डायनेमिक ग्लास के लिए पारदर्शी सौर सेल जैसे वाणिज्यिक अनुप्रयोगों के लिए प्रत्यक्ष प्लास्मोनिक सौर सेल प्रौद्योगिकी विकसित कर रही है।[42][43]

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