क्वांटम डॉट सौर सेल

क्वांटम डॉट सौर सेल (क्यूडीएससी) एक सौर सेल डिज़ाइन है जो क्वांटम डॉट्स को अवशोषित फोटोवोल्टिक सामग्री के रूप में उपयोग करता है। यह थोक सामग्री जैसे सिलिकॉन, तांबे इंडियम गैलियम सेलेनाइड (सीआईजीएस) या सीडीटी को प्रतिस्थापित करने का प्रयास करता है। क्वांटम डॉट्स में बैंडगैप्स होते हैं जो उनके आकार को बदलकर ऊर्जा के स्तर की एक विस्तृत श्रृंखला में ट्यून करने योग्य होते हैं। थोक सामग्रियों में, बैंडगैप सामग्री (ओं) की पसंद से तय किया जाता है। यह संपत्ति बहु-जंक्शन सौर कोशिकाओं के लिए क्वांटम डॉट्स आकर्षक बनाती है, जहां सौर स्पेक्ट्रम के कई हिस्सों को कटाई करके दक्षता में सुधार के लिए विभिन्न प्रकार की सामग्रियों का उपयोग किया जाता है।

2016 तक, दक्षता 10% से अधिक है।

पृष्ठभूमि

सौर सेल अवधारणाओं
एक पारंपरिक सौर सेल में, एक अर्धचालक द्वारा प्रकाश अवशोषित होता है, जो इलेक्ट्रॉन-छेद (एएच) जोड़ी उत्पन्न करता है; जोड़ी बाध्य हो सकती है और इसे उत्तेजना के रूप में जाना जाता है। यह जोड़ी एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र (पीएन जंक्शन या स्कॉटकी डायोड में मौजूद) से अलग होती है और परिणामी प्रवाह इलेक्ट्रान और छेद विद्युत प्रवाह बनाता है। आंतरिक विद्युत क्षेत्र अर्धचालक इंटरफेस के एक हिस्से को डोमिंग के साथ बनाया जाता है जो इलेक्ट्रॉन दाताओं (एन-टाइप डोपिंग) के रूप में कार्य करता है और दूसरा इलेक्ट्रॉन स्वीकार्य (पी-प्रकार डोपिंग) के साथ होता है जिसके परिणामस्वरूप पीएन जंक्शन होता है। एक एह जोड़ी की पीढ़ी के लिए आवश्यक है कि फोटॉन में सामग्री के बैंडगैप से अधिक ऊर्जा हो। प्रभावी रूप से, बैंडगैप से कम ऊर्जा वाले फोटोन अवशोषित नहीं होते हैं, जबकि जो अधिक होते हैं वे तेजी से (लगभग 10-13 के भीतर) बैंड किनारों को थर्मलाइज कर सकते हैं, आउटपुट को कम कर सकते हैं। पूर्व सीमा वर्तमान को कम कर देती है, जबकि थर्मलाइजेशन वोल्टेज को कम करता है। नतीजतन, अर्धचालक कोशिकाओं वोल्टेज और वर्तमान के बीच एक व्यापार बंद पीड़ित (जो कई जंक्शन कार्यान्वयन का उपयोग कर कम से कम हो सकता है)। विस्तृत संतुलन गणना से पता चलता है कि यदि कोई सौर सेल के लिए एक सामग्री का उपयोग करता है तो यह दक्षता 31% से अधिक नहीं हो सकती है।

संख्यात्मक विश्लेषण से पता चलता है कि 31% दक्षता 1.3-1.4 ईवी के बैंडगैप के साथ हासिल की जाती है, जो निकट अवरक्त स्पेक्ट्रम में प्रकाश के अनुरूप होती है। यह बैंड अंतर सिलिकॉन (1.1 ईवी) के करीब है, सिलिकॉन बाजार पर हावी होने के कई कारणों में से एक है। हालांकि, सिलिकॉन की दक्षता लगभग 2 9% तक सीमित है। अलग-अलग बैंडगैप्स वाले कोशिकाओं को लंबवत रूप से ढेर करके एकल-जंक्शन सेल पर सुधार करना संभव है – जिसे “टंडेम” या “बहु-जंक्शन” दृष्टिकोण कहा जाता है। एक ही विश्लेषण से पता चलता है कि एक दो परत कक्ष में एक परत 1.64 ईवी और दूसरे को 0.94 ईवी तक ट्यून किया जाना चाहिए, जो 44% का सैद्धांतिक प्रदर्शन प्रदान करता है। 48% की दक्षता के साथ एक तीन-परत सेल को 1.83, 1.16 और 0.71 ईवी तक ट्यून किया जाना चाहिए। एक “अनंत-परत” सेल में 86% की सैद्धांतिक दक्षता होगी, अन्य थर्मोडायनामिक हानि तंत्र बाकी के लिए लेखांकन के साथ।

पारंपरिक (क्रिस्टलीय) सिलिकॉन तैयारी के तरीके बैंडगैप ट्यूनेबिलिटी की कमी के कारण खुद को इस दृष्टिकोण में उधार नहीं देते हैं। असंगत सिलिकॉन की पतली फिल्में, जो क्रिस्टल गति संरक्षण में एक आराम की आवश्यकता के कारण प्रत्यक्ष बैंडगैप्स और कार्बन के अंतःक्रिया को प्राप्त कर सकती हैं, बैंडगैप को ट्यून कर सकती हैं, लेकिन अन्य मुद्दों ने पारंपरिक कोशिकाओं के प्रदर्शन से मेल खाने से इन्हें रोक दिया है। अधिकांश टंडेम-सेल संरचनाएं उच्च प्रदर्शन अर्धचालक, विशेष रूप से इंडियम गैलियम आर्सेनाइड (आईएनजीएएएस) पर आधारित होती हैं। तीन-परत इंगाए / GaAs / InGaP कोशिकाओं (बैंडगैप्स 0.94 / 1.42 / 1.89 ईवी) प्रयोगात्मक उदाहरणों के लिए 42.3% की दक्षता रिकॉर्ड रखें।

हालांकि, क्यूडीएससी कमजोर अवशोषण से ग्रस्त हैं और कमरे के तापमान पर प्रकाश अवशोषण का योगदान मामूली है। इसे बहुउद्देशीय औ नैनोस्टर्स का उपयोग करके संबोधित किया जा सकता है।

क्वांटम डॉट्स
क्वांटम डॉट्स अर्धचालक कण होते हैं जो एक्सीटन बोहर त्रिज्या के आकार से कम हो गए हैं और क्वांटम यांत्रिकी के विचारों के कारण, उनके भीतर विद्यमान ऊर्जा ऊर्जाएं सीमित हो सकती हैं, परमाणु में ऊर्जा उतनी ही ऊर्जा होती है। क्वांटम डॉट्स को “कृत्रिम परमाणु” के रूप में जाना जाता है। ये ऊर्जा स्तर उनके आकार को बदलकर ट्यून करने योग्य होते हैं, जो बदले में बैंडगैप को परिभाषित करता है। बिंदुओं को कई आकारों में उगाया जा सकता है, जिससे वे अंतर्निहित सामग्री या निर्माण तकनीकों को बदले बिना विभिन्न बैंडगैप्स व्यक्त कर सकते हैं। ठेठ गीले रसायन शास्त्र की तैयारी में, ट्यूनिंग संश्लेषण अवधि या तापमान को बदलकर पूरा किया जाता है।

बैंडगैप को ट्यून करने की क्षमता सौर कोशिकाओं के लिए वांछित क्वांटम डॉट्स बनाती है। लीड सल्फाइड (पीबीएस) कोलाइडियल क्वांटम डॉट्स (सीक्यूडी) का उपयोग करके एकल जंक्शन कार्यान्वयन में बैंडगैप्स होते हैं जिन्हें दूर अवरक्त, आवृत्तियों में ट्यून किया जा सकता है जो आम तौर पर पारंपरिक सौर कोशिकाओं के साथ हासिल करना मुश्किल होता है। धरती तक पहुंचने वाली सौर ऊर्जा का आधा हिस्सा इन्फ्रारेड में है, जो निकटतम अवरक्त क्षेत्र में सबसे अधिक है। क्वांटम डॉट सौर सेल इन्फ्रारेड ऊर्जा को किसी अन्य के रूप में सुलभ बनाता है।

इसके अलावा, सीक्यूडी आसान संश्लेषण और तैयारी प्रदान करता है। कोलाइडियल तरल रूप में निलंबित होने पर उन्हें आसानी से पूरे उत्पादन में संभाला जा सकता है, जिसमें सबसे जटिल उपकरण की आवश्यकता होती है। सीक्यूडी आमतौर पर छोटे बैचों में संश्लेषित होते हैं, लेकिन बड़े पैमाने पर उत्पादित किया जा सकता है। बिंदुओं को हाथ से या स्वचालित प्रक्रिया में, स्पिन कोटिंग द्वारा एक सब्सट्रेट पर वितरित किया जा सकता है। बड़े पैमाने पर उत्पादन स्प्रे-ऑन या रोल-प्रिंटिंग सिस्टम का उपयोग कर सकता है, नाटकीय रूप से मॉड्यूल निर्माण लागत को कम करता है।

उत्पादन
प्रारंभिक उदाहरण महंगा आणविक बीम epitaxy प्रक्रियाओं का इस्तेमाल किया। हालांकि, जाली विसंगति का परिणाम तनाव के संचय में होता है और इस प्रकार दोषों की पीढ़ी होती है, जो ढेर परतों की संख्या को सीमित करती है। बूंद महाकाव्य विकास तकनीक तनाव मुक्त क्यूडी के निर्माण पर इसके फायदे दिखाती है। वैकल्पिक रूप से, कम महंगी फैब्रिकेशन विधियों को बाद में विकसित किया गया। ये गीले रसायन (सीक्यूडी के लिए) और बाद में समाधान प्रसंस्करण का उपयोग करते हैं। केंद्रित नैनोपार्टिकल समाधान लंबे हाइड्रोकार्बन लिगैंड्स द्वारा स्थिर होते हैं जो समाधान में निलंबित नैनोक्रिस्टल को बनाए रखते हैं।

ठोस बनाने के लिए, इन समाधानों को नीचे लाया जाता है [स्पष्टीकरण आवश्यक] और लंबे स्थाई ligands शॉर्ट-चेन क्रॉसलिंकर के साथ प्रतिस्थापित कर रहे हैं। रासायनिक रूप से इंजीनियरिंग नैनोक्रिस्टल सतह नैनोक्रिस्टल को बेहतर ढंग से निष्क्रिय कर सकती है और हानिकारक जाल राज्यों को कम कर सकती है जो वाहक पुनर्मूल्यांकन के माध्यम से डिवाइस प्रदर्शन को कम कर देगी। [स्पष्टीकरण आवश्यक] यह दृष्टिकोण 7.0% की दक्षता पैदा करता है।

एक हालिया अध्ययन में 8.6% तक प्रदर्शन सुधारने के लिए अपने रिश्तेदार बैंड संरेखण को ट्यून करके विभिन्न कार्यों के लिए अलग-अलग लिगैंड का उपयोग किया जाता है। कक्ष कमरे के तापमान पर हवा में समाधान-संसाधित होते थे और बिना किसी इन्सापुलेशन के 150 दिनों से अधिक समय तक हवा-स्थिरता प्रदर्शित करते थे।

2014 में आयोडीन का उपयोग एक लिगैंड के रूप में किया जाता है जो ऑक्सीजन से बंधे नहीं होता है। यह स्थिर एन- और पी-प्रकार परतों को बनाए रखता है, जो अवशोषण दक्षता को बढ़ावा देता है, जिसने 8% तक बिजली रूपांतरण दक्षता का उत्पादन किया।

इतिहास
क्वांटम डॉट्स को उच्च दक्षता के मार्ग के रूप में उपयोग करने का विचार सबसे पहले 1 99 0 में बर्नहम और डुगन द्वारा नोट किया गया था। उस समय, क्वांटम डॉट्स या “कुएं” के विज्ञान के रूप में जाना जाने वाला विज्ञान, अपने बचपन में था और शुरुआती उदाहरण थे उपलब्ध हो रहा है।

डीएसएससी प्रयास
एक और आधुनिक सेल डिजाइन डाई-सेंसिटिज्ड सौर सेल, या डीएसएससी है। डीएसएससी टीओओ की एक स्पंज जैसी परत का उपयोग करते हैं
2 अर्धचालक वाल्व के साथ ही एक यांत्रिक समर्थन संरचना के रूप में। निर्माण के दौरान, स्पंज एक कार्बनिक डाई से भरा होता है, आमतौर पर रथिनियम-पॉलीपीरिडाइन, जो फोटोएक्सिटेशन पर टाइटेनियम डाइऑक्साइड में इलेक्ट्रॉनों को इंजेक्ट करता है। यह डाई अपेक्षाकृत महंगा है, और रूटेनियम एक दुर्लभ धातु है।

आणविक रंगों के विकल्प के रूप में क्वांटम डॉट्स का उपयोग डीएसएससी अनुसंधान के शुरुआती दिनों से किया गया था। बैंडगैप को ट्यून करने की क्षमता ने डिजाइनर को सेल के अन्य हिस्सों के लिए विभिन्न प्रकार की सामग्रियों का चयन करने की अनुमति दी। टोरंटो विश्वविद्यालय और इकोले पॉलीटेक्निक फेडेरेल डी लॉज़ेन के समूहों को सहयोग करने से क्वांटम डॉट्स की एक फिल्म के संपर्क में सीधे पीछे इलेक्ट्रोड के आधार पर एक डिज़ाइन विकसित हुआ, इलेक्ट्रोलाइट को खत्म कर दिया गया और एक कम रक्तचाप बन गया। ये कोशिकाएं सर्वोत्तम ठोस-राज्य डीएसएससी उपकरणों की तुलना में 7.0% दक्षता तक पहुंच गईं, लेकिन तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के आधार पर उन लोगों के नीचे।

मल्टी जंक्शन
कैडमियम टेल्यराइड (सीडीटीई) कोशिकाओं के लिए प्रयोग किया जाता है जो एकाधिक आवृत्तियों को अवशोषित करते हैं। इन क्रिस्टल का एक कोलाइडियल निलंबन एक सब्सट्रेट पर स्पिन-कास्ट होता है जैसे पतली ग्लास स्लाइड, एक प्रवाहकीय बहुलक में पॉट किया जाता है। इन कोशिकाओं ने क्वांटम डॉट्स का उपयोग नहीं किया, लेकिन उनके साथ साझा की गई विशेषताएं, जैसे स्पिन-कास्टिंग और पतली फिल्म कंडक्टर का उपयोग। कम उत्पादन के पैमाने पर क्वांटम डॉट्स बड़े पैमाने पर उत्पादित नैनोक्रिस्टल की तुलना में अधिक महंगे होते हैं, लेकिन कैडमियम और टेल्यराइड दुर्लभ और अत्यधिक विषाक्त धातुएं हैं जो कीमतों के स्विंग के अधीन हैं।

सर्जेंट समूह [कौन?] ने रिकॉर्ड-दक्षता आईआर सौर कोशिकाओं का उत्पादन करने के लिए इन्फ्रारेड-संवेदनशील इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में लीड सल्फाइड का उपयोग किया। स्पिन-कास्टिंग बहुत कम लागत पर “टंडेम” कोशिकाओं के निर्माण की अनुमति दे सकता है। मूल कोशिकाओं ने एक इलेक्ट्रोड के रूप में एक सोना सब्सट्रेट का उपयोग किया, हालांकि निकल भी काम करता है।

हॉट कैरियर कैप्चर
दक्षता में सुधार करने का एक और तरीका है एकल-बैंडगैप सामग्री से उत्सर्जित होने पर इलेक्ट्रॉन में अतिरिक्त ऊर्जा को पकड़ना। सिलिकॉन जैसी पारंपरिक सामग्रियों में, उत्सर्जन स्थल से इलेक्ट्रोड तक दूरी जहां वे कटाई की जाती है, यह होने की अनुमति देने के लिए बहुत दूर है; इलेक्ट्रॉन को क्रिस्टल सामग्री और जाली के साथ कई इंटरैक्शन से गुजरना होगा, जिससे अतिरिक्त ऊर्जा को गर्मी के रूप में छोड़ दिया जाएगा। असंगत पतली फिल्म सिलिकॉन को एक विकल्प के रूप में प्रयोग किया गया था, लेकिन इन सामग्रियों के निहित दोषों ने उनके संभावित लाभ को अभिभूत कर दिया। पारंपरिक पतली फिल्म कोशिकाओं पारंपरिक सिलिकॉन की तुलना में आम तौर पर कम कुशल रहते हैं।

नैनोस्ट्रक्चरर्ड दाताओं को एक समान फिल्मों के रूप में डाला जा सकता है जो दोषों के साथ समस्याओं से बचते हैं। ये क्वांटम डॉट्स, विशेष रूप से प्रतिरोधकता के मुद्दों और गर्मी प्रतिधारण के निहित अन्य मुद्दों के अधीन होंगे।

एकाधिक उत्तेजनाएं
2004 में, लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी ने स्पेक्ट्रोस्कोपिक सबूतों की सूचना दी कि क्वांटम डॉट में एक एकल, ऊर्जावान फोटॉन के अवशोषण पर कई उत्तेजना कुशलतापूर्वक उत्पन्न की जा सकती हैं। उन्हें पकड़ना सूरज की रोशनी में अधिक ऊर्जा पकड़ लेगा। इस दृष्टिकोण में, “वाहक गुणा” (सीएम) या “एकाधिक उत्तेजना पीढ़ी” (एमईजी) के रूप में जाना जाता है, क्वांटम डॉट को उच्च ऊर्जा पर एक जोड़ी की बजाय कम ऊर्जा पर एकाधिक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े को छोड़ने के लिए ट्यून किया जाता है। यह बढ़ती फोटोक्रेंट के माध्यम से दक्षता बढ़ जाती है। लैन के डॉट्स लीड सेलेनाइड से बने थे।

2010 में, वायोमिंग विश्वविद्यालय ने डीसीसीएस कोशिकाओं का उपयोग करके इसी तरह के प्रदर्शन का प्रदर्शन किया। लीड-सल्फर (पीबीएस) डॉट्स ने दो-इलेक्ट्रॉन निकास का प्रदर्शन किया जब आने वाले फोटॉनों में बैंडगैप ऊर्जा लगभग तीन गुना थी।

2005 में, एनआरईएल ने क्वांटम डॉट्स में एमईजी का प्रदर्शन किया, प्रति फोटॉन के तीन इलेक्ट्रॉनों और 65% की सैद्धांतिक दक्षता का उत्पादन किया। 2007 में, उन्होंने सिलिकॉन में एक समान परिणाम प्राप्त किया।

गैर ऑक्सीकरण
2014 में टोरंटो समूह के एक विश्वविद्यालय ने विशेष उपचार के साथ पीबीएस का उपयोग करके सीक्यूडी एन-टाइप सेल का एक प्रकार का निर्माण और प्रदर्शन किया ताकि यह ऑक्सीजन से बंधे न हो। सेल ने 8% दक्षता हासिल की, वर्तमान क्यूडी दक्षता रिकॉर्ड की शर्मीली। ऐसी कोशिकाएं अनोखे “स्प्रे-ऑन” कोशिकाओं की संभावना पैदा करती हैं। हालांकि, इन वायु-स्थिर एन-प्रकार सीक्यूडी वास्तव में एक ऑक्सीजन मुक्त वातावरण में बनाये गये थे।

2014 में, एमआईटी के एक अन्य शोध समूह ने एयर-स्थिर जेएनओ / पीबीएस सौर कोशिकाओं का प्रदर्शन किया जो हवा में बनाये गये थे और एक प्रमाणित 8.55% रिकॉर्ड दक्षता (प्रयोगशाला में 9.2%) प्राप्त किया क्योंकि उन्होंने प्रकाश अच्छी तरह से अवशोषित किया, जबकि कलेक्टरों को चार्ज भी लेना सेल का किनारा ये कोशिकाएं क्वांटम डॉट सौर कोशिकाओं के लिए अभूतपूर्व वायु-स्थिरता दिखाती हैं कि प्रदर्शन हवा में 150 दिनों से अधिक भंडारण के लिए अपरिवर्तित बनी हुई है।