पेरोव्स्काइट सोलर सेल स्पेस-ग्रेड तापमान चरम को सहन करता है

अंतरिक्ष में सौर को रखने की समस्या

कम पृथ्वी कक्षा में सौर पैनल हिंसक तापमान झूलों का अनुभव करते हैं जो किसी भी जमीन आधारित स्थापना को कभी नहीं मिलते हैं। वे प्रत्येक 90 मिनट में सूरज की चमकदार गर्मी से लेकर पृथ्वी की छाया तक चक्रीय होते हैं। तापमान -80°C से +80°C तक तेजी से झूल सकते हैं, पारंपरिक सौर सेल सामग्री को जमीन पर सामना किए गए किसी भी चीज़ की तुलना में बहुत तेजी से गिरावट का कारण बनने वाले यांत्रिक तनाव पैदा करते हैं।

पेरोव्स्काइट सौर सेल के लिए—फोटोवोल्टिक सामग्री की एक श्रेणी जिसने उच्च दक्षता और कम विनिर्माण लागत के कारण विशाल अनुसंधान ब्याज को आकर्षित किया है—यह थर्मल अस्थिरता एक गंभीर बाधा रही है। अब, Ludwig-Maximilians-Universität München से शोधकर्ताओं की एक टीम ने इसके चारों ओर इंजीनियरिंग करने का तरीका खोज लिया है, एक पेरोव्स्काइट सौर सेल का उत्पादन किया है जो न केवल अनुकरणीय अंतरिक्ष स्थितियों की सजा को सहन करता है बल्कि 26% बिजली रूपांतरण दक्षता के साथ उभरता है।

अनाज सीमाएं: कमजोर कड़ी

पेरोव्स्काइट सौर सेल थर्मल तनाव के तहत कहां विफल होते हैं इसे समझना इस सफलता की व्याख्या करने के लिए महत्वपूर्ण है। इन सेल में पेरोव्स्काइट परत सूक्ष्म क्रिस्टलीय अनाज से बनी होती है, और उन अनाजों के बीच की सीमाएं यांत्रिकी से कमजोर होती हैं। जब सेल को गर्म और ठंडा किया जाता है, तो पेरोव्स्काइट सामग्री और नीचे का ग्लास सब्सट्रेट विभिन्न दरों पर विस्तार और अनुबंध करते हैं। यह विसंगति अनाज सीमाओं पर और पेरोव्स्काइट फिल्म और नीचे के ग्लास के बीच इंटरफेस पर तनाव को केंद्रित करती है।

बार-बार थर्मल चक्रण माइक्रोक्रैक्स को प्रसारित करता है, दोषों को जमा करता है, और प्रदर्शन को गिरावट करता है। यह गिरावट तंत्र अच्छी तरह से समझा जाता है, लेकिन इसे हल करना कठिन साबित हुआ है क्योंकि यांत्रिक स्थिरता में सुधार करने वाली मरम्मत अक्सर विद्युत प्रदर्शन से समझौता करती है।

LMU टीम ने दोनों कमजोर स्थलों पर एक साथ हमला किया। फिल्म गठन के दौरान, उन्होंने अल्फा-लिपोइक एसिड को शामिल किया, एक यौगिक जो अनाज सीमाओं पर पॉलीमराइज़ करता है क्योंकि फिल्म बनती है, अनिवार्य रूप से लचीले आणविक स्कैफोल्डिंग के साथ क्रिस्टल नेटवर्क को सिल देता है। यह अनाज इंटरफेस पर दोष घनत्व को कम करता है।

सब्सट्रेट के लिए फिल्म को लंगर करना

दूसरा हस्तक्षेप पेरोव्स्काइट परत और ग्लास सब्सट्रेट के बीच इंटरफेस को संबोधित करता है। शोधकर्ताओं ने एक सल्फोनियम-आधारित आणविक व्युत्पन्न लागू किया जो सब्सट्रेट सतह के लिए पेरोव्स्काइट फिल्म को रासायनिक रूप से लंगर करता है, एक लंगर जाल बनाता है जो परतों को थर्मल विस्तार और संकुचन के दौरान एक इकाई के रूप में एक साथ चलने की अनुमति देता है।

एक साथ, दो संशोधन ठीक उन बिंदुओं पर एक सुदृढ़ संरचना बनाते हैं जहां थर्मल तनाव सबसे अधिक नुकसान करता है। परीक्षण में, कोशिकाओं को -80°C और +80°C के बीच 16 चरम थर्मल चक्रों के अधीन किया गया था—ऐसी स्थितियां जो कम पृथ्वी कक्षा में एक उपग्रह के थर्मल वातावरण की नकल करने के लिए चुनी गई थीं।

परिणाम उल्लेखनीय थे। सुदृढ़ कोशिकाएं 16-चक्र परीक्षण के बाद अपनी प्रारंभिक दक्षता का लगभग 84% बनाए रखीं। असंशोधित संदर्भ कोशिकाओं को समान प्रोटोकॉल के तहत काफी अधिक नुकसान हुआ। सुदृढ़ कोशिकाओं के लिए बिजली रूपांतरण दक्षता 26% तक पहुंची—संदर्भ कोशिकाओं की तुलना में लगभग 3 प्रतिशत अंक अधिक, सौर सेल विकास के अत्यंत प्रतिस्पर्धी क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण मार्जिन।

यह अंतरिक्ष और पृथ्वी के लिए क्यों मायने रखता है

अंतरिक्ष अनुप्रयोग स्पष्ट है: हल्के, उच्च-दक्षता पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाएं जो कक्षीय थर्मल चक्रण को सहन कर सकती हैं, उपग्रह बिजली प्रणालियों के लिए रूपांतरकारी होगी। वर्तमान अंतरिक्ष-योग्य सौर कोशिकाएं मुख्य रूप से बहु-जंक्शन गैलियम आर्सेनाइड डिजाइन हैं जो अत्यंत कुशल हैं लेकिन निर्माण में महंगी हैं। पेरोव्स्काइट कोशिकाएं पृथ्वी-प्रचुर सामग्री से अपेक्षाकृत कम-लागत वाली प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाई जाती हैं। यदि वे कक्षीय थर्मल स्थितियों में विश्वसनीयता साबित कर सकते हैं, तो वे उपग्रहों और कक्षीय बुनियादी ढांचे के लिए सौर शक्ति की लागत को नाटकीय रूप से कम कर सकते हैं।

अंतरिक्ष-आधारित अनुप्रयोग अक्सर सामग्री और इंजीनियरिंग दृष्टिकोण के लिए सबूत स्थल के रूप में काम करते हैं जो अंततः स्थलीय उत्पादों में अपना रास्ता पाते हैं। अंतरिक्ष में सापेक्ष थर्मल स्थितियों की तुलना में 160-डिग्री तापमान स्विंग को सहन करने के लिए इंजीनियर की गई एक पेरोव्स्काइट सेल लगभग निश्चित रूप से मिनेसोटा की छत या रेगिस्तानी जलवायु वाहन-एकीकृत सौर प्रणाली में अनुभव किए गए हल्के थर्मल चक्रण को संभालेगी।

वाणिज्यीकरण के लिए सड़क

LMU टीम ने Nature Communications में अपने निष्कर्ष प्रकाशित किए, वैज्ञानिक समुदाय को दोनों तकनीकी दृष्टिकोण और प्रायोगिक डेटा प्रदान करते हुए काम को दोहराने और आगे बढ़ाने के लिए आवश्यक। लीड लेखक Erkan Aydin परिणामों का मतलब के बारे में सीधे थे: "यह हमें इस तकनीक को वास्तविक दुनिया अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिक बनाने के करीब ले जाता है।"

वाणिज्यीकरण के लिए अभी भी बड़े-क्षेत्र उत्पादन के लिए दोहरे आणविक सुदृढ़ीकरण प्रक्रिया को स्केल करना, सोलह नहीं बल्कि हजारों थर्मल चक्रों पर प्रदर्शन को मान्य करना, और सह-सहायक आर्द्रता, पराबैंगनी और विद्युत तनाव के तहत प्रदर्शन के प्रतिधारण को प्रदर्शित करना आवश्यक है। लेकिन थर्मल स्थिरता और 26% दक्षता दोनों को एक साथ प्राप्त करना प्रयोगशाला सफलता से वैश्विक स्वच्छ ऊर्जा प्रौद्योगिकी तक की लंबी यात्रा में एक सार्थक मील का पत्थर को चिह्नित करता है।

यह लेख PV Magazine के रिपोर्टिंग के आधार पर है। मूल लेख पढ़ें.