भारतीय पथकाने कॅडमियम-मुक्त CIS सौर पेशीचे मॉडेल तयार केले, कार्यक्षमता जवळपास 30%

सौरऊर्जेतील एका सातत्याने टिकून असलेल्या bottleneck ला लक्ष्य करणारी नवी thin-film रचना

भारताच्या Nirma University मधील संशोधकांनी copper indium selenide, किंवा CIS, device मध्ये electron transport layer म्हणून indium oxide वापरणारी कॅडमियम-मुक्त thin-film solar cell architecture सुचवली आहे. अहवालानुसार, SCAPS-1D modeling वापरून या design ने 29.79% simulated power conversion efficiency गाठली, ज्यामुळे हा absorber class साठी अधिक महत्त्वाकांक्षी performance projections पैकी एक ठरतो.

हे काम तातडीच्या व्यावसायिक कामगिरीच्या दाव्यापेक्षा thin-film optimization कोणत्या दिशेने जात आहे याचा संकेत म्हणून अधिक महत्त्वाचे आहे. CIS absorbers त्यांच्या सुमारे 1.5 eV direct bandgap आणि उच्च absorption coefficient मुळे दीर्घकाळ लक्ष वेधून घेत आहेत, ज्यामुळे ते photovoltaic conversion साठी आशादायक ठरतात. मात्र प्रत्यक्ष device performance अनेकदा trap-assisted recombination आणि interfaces वर कमजोर carrier collection मुळे मर्यादित होते. Thin-film solar design मध्ये ही losses मुख्य अडथळे आहेत, विशेषतः जेव्हा संशोधक विषारीपणा किंवा processing concerns वाढवणाऱ्या materials वर अवलंबून न राहता कार्यक्षमता सुधारण्याचा प्रयत्न करतात.

Indium oxide कडे लक्ष का जात आहे

Electron transport layers solar cells मध्ये महत्त्वाच्या असतात, कारण त्या electrons बाहेर काढण्यात आणि मार्गदर्शन करण्यात मदत करतात, तसेच अनावश्यक recombination pathways रोखतात. अहवालात नमूद केल्याप्रमाणे, ऐतिहासिकदृष्ट्या cadmium sulfide, titanium dioxide, zinc oxide आणि tin oxide यांसारखी materials thin-film devices मध्ये या कामासाठी मोठ्या प्रमाणावर वापरली गेली आहेत. Nirma University पथकाने त्याऐवजी indium oxide वर लक्ष केंद्रित केले आणि ते कॅडमियम-मुक्त architecture मधील एक पर्याय म्हणून मांडले.

कॅडमियम-मुक्त मुद्दा महत्त्वाचा आहे. Cadmium-based layers चांगली कामगिरी करू शकतात, पण त्यांच्याशी पर्यावरणीय आणि नियामक अडचणी जोडलेल्या असतात, ज्या संशोधनाच्या प्राधान्यांवर परिणाम करतात. त्यामुळे कॅडमियमवरील अवलंबन कमी करूनही कार्यक्षमता टिकवणारी किंवा वाढवणारी thin-film रचना केवळ वैज्ञानिकदृष्ट्या नव्हे तर manufacturability आणि market acceptance च्या दृष्टीनेही मौल्यवान ठरेल.

मॉडेल केलेल्या cell मध्ये indium oxide चे काम charge extraction अधिक प्रभावी करणे आणि absorber सोबतच्या interface वर होणारे नुकसान कमी करणे आहे. Thin-film photovoltaics मध्ये अनेकदा ते interfaces ठरवतात की सैद्धांतिक material potential प्रत्यक्ष device output मध्ये रूपांतरित होईल की नाही. शेजारच्या layers मध्ये defects किंवा खराब alignment असल्यास carriers collect होण्यापूर्वीच recombine होतात, आणि मजबूत absorber असूनही ते पुरेसे ठरत नाही.

Simulation काय सांगते

नोंदवलेला 29.79% परिणाम SCAPS-1D मधून आला आहे, जे वेगवेगळ्या material आणि structural conditions अंतर्गत solar cell behavior मॉडेल करण्यासाठी सामान्यतः वापरले जाणारे simulation tool आहे. त्यामुळे हा अभ्यास laboratory-certified cell नव्हे तर modeled device चे वर्णन करतो. हा फरक महत्त्वाचा आहे. Simulations उपयुक्त असतात, कारण त्या कोणते thickness, defect density, transport properties आणि thermal conditions चे संयोजन चांगली कामगिरी देऊ शकते हे दाखवतात; पण fabrication आणि measurement यांचा पर्याय त्या ठरत नाहीत.

तरीही, model चे निष्कर्ष माहितीपूर्ण आहेत. Sensitivity analysis द्वारे संशोधकांनी low defect density, optimized absorber thickness आणि effective thermal management हे recombination losses मर्यादित करण्यासाठी विशेष महत्त्वाचे असल्याचे ओळखले. हे संयोजन photovoltaics मधील एक परिचित पण कठीण engineering problem दाखवते: materials, geometry आणि operating conditions अशी जुळवणे की losses मूलभूत device concept मधून मिळणारे फायदे नष्ट करू नयेत.

Defect density हा विशेष अर्थपूर्ण variable आहे. Thin-film semiconductors मध्ये defects carriers trap करू शकतात आणि non-radiative recombination pathways निर्माण करू शकतात, ज्यामुळे efficiency कमी होते. एक design कागदावर मजबूत दिसू शकतो, पण प्रत्यक्ष deposition methods खूप imperfections आणत असतील तर तो प्रत्यक्षात निराश करू शकतो. Thickness बाबतीतही हेच लागू होते. खूप कमी absorber material light harvesting कमी करू शकते, तर खूप जास्त material recombination किंवा resistive losses वाढवू शकते. तापमान carrier transport वर परिणाम करत असल्यामुळे thermal behavior देखील महत्त्वाचे ठरते आणि operating conditions मध्ये performance कमी करू शकते.

Thin-film landscape साठी याचा अर्थ काय

जागतिक solar market अजूनही silicon च्या वर्चस्वाखाली आहे, पण thin-film technologies रणनीतिकदृष्ट्या महत्त्वाच्या राहतात, कारण त्या वेगवेगळे manufacturing routes, material profiles आणि application possibilities देतात. CIS-based devices अनेक वर्षांपासून या चर्चेचा भाग आहेत, जरी त्यांना इतर thin-film approaches आणि silicon मधील सातत्यपूर्ण प्रगतीशी स्पर्धा करावी लागली आहे.

अशा प्रकारचे संशोधन CIS ला प्रासंगिक ठेवण्यासाठी दोन गोष्टी एकत्र हाताळण्याचा प्रयत्न करते: efficiency ceilings आणि material choices. जर indium oxide कॅडमियम-मुक्त device मध्ये interface behavior सुधारू शकत असेल, तर CIS performance अधिक वाढवण्यासाठी संशोधकांना आणखी एक मार्ग मिळू शकतो. याचा अर्थ लगेच commercialisation होईल असे नाही, पण absorber-layer engineering आणि transport-layer selection मधील पुढील experimental work वर त्याचा प्रभाव पडू शकतो.

अहवाल scalability वरही भर देतो आणि simulated gains ना अशा परिस्थितींशी जोडतो ज्या recombination losses नियंत्रणात असतील तर high-performance devices ला आधार देऊ शकतात. हे महत्त्वाचे framing आहे, कारण photovoltaic research ला आता फक्त peak efficiency potential नव्हे, तर scalable manufacturing आणि stable operation कडे नेणारा व्यवहार्य मार्गही दाखवावा लागतो.

पुढे काय

स्पष्ट पुढचे पाऊल म्हणजे experimental validation. Simulation एक आशादायक architecture ओळखून parameter space अरुंद करू शकते, पण खरा कस म्हणजे device आवश्यक material quality आणि interface control सह तयार करता येतो का. त्यात indium oxide प्रत्यक्ष processing conditions मध्ये अपेक्षेप्रमाणे काम करते का आणि absorber पुरेशा कमी defect densities सह तयार करता येतो का, हे सिद्ध करणे समाविष्ट आहे.

laboratory परिणाम model च्या जवळ जाऊ लागले, तर clean-energy supply chains केवळ खर्च आणि कार्यक्षमता नव्हे, तर environmental profile च्या दृष्टीनेही तपासल्या जात असलेल्या काळात, हे काम कॅडमियम-मुक्त CIS designs मध्ये रस वाढवू शकते. Thin-film photovoltaics नेहमीच सूक्ष्म engineering वर अवलंबून राहिले आहेत. सुधारणा बहुतेकदा एका मोठ्या शोधातून नाही, तर materials, interfaces आणि process windows विषयी अधिक चांगल्या निर्णयांच्या मालिकेतून येतात.

Nirma University चा निष्कर्ष त्या pattern मध्ये बसतो. तो पूर्ण commercial breakthrough जाहीर करत नाही, पण उच्च-कार्यक्षम CIS solar cells कडे नेणारा तांत्रिकदृष्ट्या विशिष्ट मार्ग सुचवतो. efficiency वर मोठा परिणाम करू शकणाऱ्या incremental architecture choices च्या क्षेत्रात, हे काम लक्ष ठेवण्यासारखे आहे.

हा लेख PV Magazine च्या वृत्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.