ദക്ഷത കൂടിയ സോളാര്‍ സെല്ലുകള്‍

രണ്ടു വര്‍ഷത്തിനിടക്ക് ഇതാ രണ്ടാമതായി Materials Sciences Division ലെ Kin Man Yu ഉം Wladek Walukiewicz ഉം Berkeley Lab ലെ ഗവേഷകരും ദക്ഷതകൂടിയ സോളാര്‍ സെല്ലുകള്‍ കണ്ടുപിടിച്ചതായി പ്രഖ്യാപിച്ചു.

indium gallium nitride (InGaN) കൂട്ടുലോഹത്തിലെ indium ന്റേയും gallium ന്റേയും അളവ് ക്രമീകരിച്ചാല്‍ അത് വ്യത്യസ്ഥ തരംഗ ദൈര്‍ഖ്യമുള്ള പ്രകാശവുമായി പ്രതികരിക്കുമെന്ന് 2002 ല്‍ കണ്ടെത്തിയിരുന്നു. സൂര്യപ്രകാശത്തിന്റെ മുഴുവന്‍ വര്‍ണ്ണ രാജിയുമായി പ്രതികരിക്കുന്ന സോള്‍ സെല്ലുകള്‍ പോസിറ്റീവും നെഗറ്റീവും ആയ പാളികളായി പല വൈദ്യുതോത്പാദന junctions ഉണ്ടാക്കാനുള്ള സാദ്ധ്യത ഇത് തുറന്നുകൊടുത്തു.

അവരുടെ പുതിയ കണ്ടുപിടുത്തത്തെ Yu പറയുന്നത് മൊത്തത്തില്‍ പുതിയ പദാര്‍ത്ഥ ആശയം എന്നാണ്. zinc manganese tellurium (ZnMnTe) ലോഹ സങ്കരത്തെ ഉപയോഗിച്ച് ഒറ്റ ഒരു junction ല്‍ നിന്ന് സൂര്യപ്രകാശത്തിന്റെ മുഴുവന്‍ വര്‍ണ്ണ രാജിയുമായി സ്വീകരിക്കുന്ന സെല്‍ നിര്‍മ്മിച്ചു.

സോളാര്‍ സെല്‍ എങ്ങനെ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നു

സൂര്യ പ്രകാശത്തില്‍ പലനിറമുള്ള, വ്യത്യസ്ഥ ഊര്‍ജ്ജമുള്ള ഘടകങ്ങളുള്ളതായി നമുക്കറിയാമല്ലോ. ഊര്‍ജ്ജം കുറഞ്ഞ infrared ഫോട്ടോണുകള്‍ ഉയര്‍ന്ന ഊര്‍ജ്ജമുള്ള ultraviolet ഫോട്ടോണുകള്‍, ഇടക്കുള്ള കാണാന്‍ കഴിയുന്ന ഫോട്ടോണുകള്‍. ഓരോ ഫോട്ടോ വോള്‍ട്ടേയിക്ക് പദാര്‍ത്ഥവും അതിന്റെ തനതായ band gap അനുസരിച്ച് ചെറിയ സീമയിലുള്ള പ്രകാശവുമായേ പ്രതികരിക്കൂ.

അര്‍ദ്ധചാലകത്തിന്റെ valence band ലെ ഒരു ഇലക്ട്രോണിനെ അതിന്റെ ഭ്രമണപഥത്തില്‍ നിന്ന് തട്ടിത്തെറിപ്പിക്കാനാവശ്യമായ ഊര്‍ജ്ജത്തിന്റെ അളവാണ് band gap. ഇത് electron volts (eV) ആയാണ് അളക്കുന്നത്. valence band ലെ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ആറ്റങ്ങളുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. അവിടെ നിന്ന് conduction band ല്‍ എത്തിയാല്‍ അവക്ക് സഞ്ചാര സ്വാതന്ത്ര്യം കിട്ടും.

അര്‍ദ്ധചാലകത്തില്‍ മാലിന്യം ചേര്‍ത്ത് n-type പദാര്‍ത്ഥം നിര്‍മ്മിക്കുമ്പോള്‍ അതിന്റെ conduction band ല്‍ കുറച്ച് സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഉണ്ടായിരിക്കും. അതുപോലെ p-type പദാര്‍ത്ഥത്തിന്റെ valence band ല്‍ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ അഭാവവും ഉണ്ടാകും. അതിനെ ദ്വാരങ്ങള്‍ എന്ന് വിളിക്കും. ഈ n-type നേയും p-type നേയും കൂട്ടി ചേര്‍ത്ത് junction ഉണ്ടാക്കുമ്പോള്‍ അത് ഒരു voltage bias സൃഷ്ടിക്കും. ഈ പദാര്‍ത്ഥം ഫോട്ടോണികളെ ആഗിരണം ചെയ്യുമ്പോള്‍ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഋണ ചാര്‍ജ്ജുള്ള ഭാഗത്തുനിന്ന് ധനചാര്‍ജ്ജുള്ള ഭാഗത്തേക്ക് പ്രവഹിച്ച് വൈദ്യുത കറന്റുണ്ടാക്കും.

band gap ല്‍ താഴെ ഊര്‍ജ്ജമുള്ള ഫോട്ടോണുകള്‍ ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടാതെ രക്ഷപെടും. കൂടുതല്‍ ഊര്‍ജ്ജമുള്ള ഫോട്ടോണുകളെ ഫോട്ടോണുകള്‍ ആഗിരണം ചെയ്യും പക്ഷേ അവയുടെ ഊര്‍ജ്ജം താപമായി നഷ്ടപ്പെടും. പ്രധാന സോളാര്‍ സെല്‍ പദാര്‍ത്ഥമായ Crystalline silicon ന് 1.1 eV ആണ് band gap. സൂര്യപ്രകാശത്തിലെ കൂടുതല്‍ ഫോട്ടോണുകളും അതില്‍ കൂടുതല്‍ ഊര്‍ജ്ജമുള്ളവയാണ്. Crystalline silicon ന്റെ ഏറ്റവും കൂടിയ ദക്ഷത 25% ആണ്.

വ്യത്യസ്ഥ band gap ഉള്ള പലതരം പദാര്‍ത്ഥങ്ങള്‍ അടുക്കി വെച്ചാല്‍ വലിയ ഊര്‍ജ്ജ സീമയിലുള്ള ഫോട്ടോണുകളെ ആഗിരണം ചെയ്ത് ഉപയോഗിക്കാനാവും. multijunction സോളാര്‍ സെല്ലില്‍ മുകളിലത്തെ പാളി ഊര്‍ജ്ജം കൂടിയ ഫോട്ടോണുകളെ ആഗിരണം ചെയ്ത് കുറഞ്ഞ ഊര്‍ജ്ജമുള്ളവയെ താഴത്തെ lower-band-gap ഉള്ള junctions ലേക്ക് കടത്തിവിടും. 1.7 eV band gap ഉള്ള aluminum gallium arsenide ഉം crystalline സിലിക്കണും ചോര്‍ന്ന സെല്ലിന് 50% വരെ ദക്ഷത ലഭിക്കാം.

നിര്‍ഭാഗ്യവശാല്‍ ഈ രണ്ട് പദാര്‍ത്ഥങ്ങളും അടുക്കിവെക്കാനാവില്ല. വ്യത്യസ്ഥ crystal lattices ഉം ചേരുന്നതുമായ പദാര്‍ത്ഥങ്ങള്‍ കണ്ടെത്തുക വിഷമമോ അസാധ്യമോ ആണ്. ഇതുവരെ നിര്‍മ്മിച്ചിട്ടുള്ള ഏറ്റവും ദക്ഷത കൂടിയ multijunction സെല്ലിന് 30% ദക്ഷതയേയുള്ളു. എല്ലാ പാളികളിലും crystal lattice ഒന്നുപോലെയാണെന്നുള്ളതാണ് Berkeley Lab ലെ ഗവേഷകര്‍ കണ്ടെത്തിയ indium gallium nitride പദാര്‍ത്ഥത്തിന്റെ ഗുണം.

radiation hard ആയതിനാല്‍ InGaN ന്റെ ശൂന്യാകാശ ഉപയോഗത്തിലാണ് ഇപ്പോള്‍ കൂടുതല്‍ ഗവേഷണം നടക്കുന്നത്. പ്രായോഗികമായ p-type തരം സെല്‍ നിര്‍മ്മിക്കുക ബുദ്ധിമുട്ടാണ്.

multigap പ്രതിഭാസത്തിന്റെ കണ്ടുപിടുത്തം

“1960 ല്‍ സോളാര്‍ സെല്‍ pioneer ആയ Martin Wolf ന്റെ കാലം മുതല്‍ക്കുള്ളതാണ് multiband cells എന്ന ആശയം. അര്‍ത്ഥചാലകത്തിലേക്ക് കൃത്യമായ ഇലക്ട്രോണിക് സ്വഭാവമുള്ള മാലിന്യങ്ങളെ ചോര്‍ത്ത് വ്യത്യസ്ഥ ഊര്‍ജ്ജമുള്ള ഫോട്ടോണുകളെ ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന single–junction സെല്‍ നിര്‍മ്മിക്കുക എന്നതാണ് ഇതിന്റെ ആശയം. എളുപ്പമെന്ന് തോന്നാം. പക്ഷേ ഇതുവരെ ആര്‍ക്കും അത് നിര്‍മ്മിക്കാനായിട്ടില്ല,” Walukiewicz പറയുന്നു.

1999 ല്‍ Walukiewicz ഉം Berkeley Lab ലെ മറ്റുള്ളവരും DOE യുടെ National Renewable Energy Laboratory ല്‍ three-junction സെല്‍ നിര്‍മ്മിക്കാന്‍ ശ്രമിക്കുയായിരുന്നു. NREL ഗവേഷണം ആദ്യത്തെ split band gap ഉള്ള ഫോട്ടോ വോള്‍ടേയിക് സെല്‍ നിര്‍മ്മിച്ചു. പക്ഷേ ആദ്യം അവര്‍ അത് തിരിച്ചറിഞ്ഞില്ല എന്ന് മാത്രം.

“1-eV band gap ഉള്ളതും crystal lattice structure മറ്റ് പാളികളുമായി ചേരുന്നതുമായ ഒരു പുതിയ പദാര്‍ത്ഥം അവര്‍ക്ക് ആവശ്യമായിരുന്നു. അതിന് അവര്‍ gallium indium arsenide nitride കൂട്ടുലോഹങ്ങളില്‍ കുറച്ച് നൈട്രജന്‍ ചേര്‍ത്ത് ഉദ്ദേശിച്ച പദാര്‍ത്ഥം നിര്‍മ്മിച്ചു.

band-gap കുറവ് പ്രതീക്ഷിച്ചതല്ലാത്തതിനാല്‍ എങ്ങനെ പുതിയ പദാര്‍ത്ഥം പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നുവെന്ന് Walukiewicz പരിശോധിച്ചു. host ആറ്റത്തെക്കാള്‍ കൂടുതല്‍ electronegative ആണ് nitrogen ആറ്റങ്ങള്‍. അത് അതിന്റേതായ narrow energy band സൃഷ്ടിക്കുന്നു. അങ്ങനെ GaInAs conduction band ന് രണ്ട് ഭാഗങ്ങളുണ്ടായി. രണ്ട് conduction bands ന്റെ താഴെയുള്ള gap ആവശ്യമായ 1 eV നല്‍കുകയും ചെയ്യുന്നു.

ഈ split bands സോളാര്‍ സെല്ലിന് മോശമായ പ്രകടനമാണ് നല്‍കുന്നത്. എന്നാലും Walukiewicz ഉം കൂട്ടരും ഗവേഷണം തുര്‍ന്നു. split-band പ്രതിഭാസത്തെ “band anticrossing” എന്നവര്‍ വിളിച്ചു.

കൃത്യമായ ചേര്‍ച്ചയില്ലായ്മ A perfect mismatch

GaInAs പോലുള്ള III-V ഗ്രൂപ്പിലുള്ള അര്‍ദ്ധചാലകങ്ങളിലെ കുറച്ച് ആറ്റങ്ങളെ വ്യത്യസ്ഥ electronegativity യുള്ള നൈട്രജന്‍ ആറ്റളുപയോഗിച്ച് മാറ്റിവെച്ചാല്‍ ചേര്‍ച്ചയില്ലാത്ത കൂട്ടുലോഹങ്ങള്‍ നിര്‍മ്മിക്കാം. (ആവര്‍ത്തനപ്പട്ടികയിലെ കോളങ്ങളാണ് III-V). II-VI ഗ്രൂപ്പിലെ കൂട്ടുലോഹത്തില്‍ ഓക്സിജനാണ് ഇത്തരത്തില്‍ ചേര്‍ക്കേണ്ടത്.

Split band gaps ചേര്‍ച്ചയില്ലാത്ത കൂട്ടുലോഹങ്ങളുടെ പ്രത്യേകതയാണ്. GaInAs നെ പോലെ മിക്ക ഭിന്നിപ്പും (split) സംഭവിക്കുന്നത് conduction band ലാണ്. സോളാര്‍ സെല്‍ നിര്‍മ്മാണത്തിന് ഈ പദാര്‍ത്ഥം പ്രയോജനം ചെയ്യില്ല. എന്നാലും band-anticrossing സിദ്ധാന്തപ്രകാരം മാലിന്യ ആറ്റങ്ങള്‍ conduction band ന് താഴെ വീതി കുറഞ്ഞ ഒരു band നിര്‍മ്മിക്കുമെന്ന് പറയുന്നു. II-VI കൂട്ടുലോഹമായ zinc manganese tellurium, ZnMnTe, ല്‍ ഓക്സി‍ജന്‍ ചേര്‍ത്ത പദാര്‍ത്ഥത്തിന് വീതി കൂടിയ split band gaps ഉണ്ടാകുന്നതായും അത് പ്രവചിക്കുന്നു.

“ഇത് അത്ര എളുപ്പമല്ല. ഓക്സിജന്‍ ആറ്റങ്ങള്‍ തുല്യമായ രീതിയില്‍ പദാര്‍ത്ഥത്തില്‍ വിന്യസിപ്പിക്കണം. ദ്രാവകാവസ്ഥയില്‍ അതിവേഗം ഇത് ചെയ്തങ്കിലെ വിജയിക്കൂ. സാവധാനം ചെയ്താല്‍ ഓക്സിജന്‍ പുറത്തുപോകും.” Yu പറഞ്ഞു.

അതുകൊണ്ടാണ് അവയെ highly mismatched alloys എന്ന് വിളിക്കുന്നത്. കാരണം ആതിഥേയ ആറ്റവും മാലിന്യ ആറ്റവും പരസ്പരം വെറുക്കുന്നു” Walukiewicz കൂട്ടിച്ചേര്‍ത്തു.

രണ്ട് ഘട്ടങ്ങളായാണ് ഞങ്ങള്‍ അത് ചെയ്തത്. ion beams ഉപയോഗിച്ച് ഓക്സിജനെ പ്രതിഷ്ഠിച്ചു. പിന്നീട് pulsed laser ഉപയോഗിച്ച് ZnMnTe നെ ഉരുക്കി വേഗത്തില്‍ recrystallize ചെയ്തു. ലേസര്‍ പ്രയോഗം നടത്തിയത് നൂറ് കണക്കിന് നാനോ സെക്കന്റുകള്‍ മാത്രമാണ്.

ഈ രീതിയില്‍ ZnMnTe ന്റെ ഒറ്റ ക്രിസ്റ്റല്‍ നിര്‍മ്മിക്കാന്‍ ഗവേഷകര്‍ക്ക് കഴിഞ്ഞു. അതിന്റെ മുകളിലെ പാളി 0.2 മൈക്രോണ്‍ (മൈക്രോണ്‍ – ഒരു മീറ്ററിന്റെ പത്ത് ലക്ഷത്തിലൊന്ന്.) കനമുള്ളതാണ്. സാധാരണ band gap നെ അവിടെയുള്ള ഓക്സിജന്‍ മാലിന്യ ആറ്റങ്ങള്‍ വിഭജിക്കുന്നു.

ഊര്‍ജ്ജ നിലകളുടെ കൂട്ടം

split band ഉപയോഗിച്ച് സൂര്യ പ്രകാശത്തിലെ മുഴുവന്‍ രാജിയേയും എങ്ങനെ വൈദ്യുതിയാക്കും? രണ്ട് വ്യത്യസ്ഥ band ന് മൂന്ന് ഊര്‍ജ്ജ നിലകളിലെ സൂര്യ പ്രകാശം ആഗിരണം ചെയ്യാനാവും എന്നതാണ് ഗുണം.

In a multilayer solar cell (left), each layer is a different alloy with a different band gap, which responds to a different frequency of sunlight. A multigap solar cell has only a single layer of material, but multiple band gaps allow it to respond to a range of different frequencies.

പദാര്‍ത്ഥത്തിന്റെ valence band ഉം split bands ന്റെ താഴെയുള്ള ഭാഗവും ചേര്‍ന്ന് ഒരു band gap ഉണ്ടാകുന്നു. ZnMnTe ല്‍ ഓക്സിജന്‍ ചേര്‍ത്ത (ZnMnOTe) പദാര്‍ത്ഥത്തിന്റെ ആദ്യ gap, 1.8 eV ഫോട്ടോണുകളെ സ്വീകരിക്കുന്നു.

രണ്ട് split bands വ്യത്യാസം രണ്ടാമത്തെ band gap ആണ്. ZnMnOTe ല്‍ അത് 0.7 eV ഫോട്ടോണുകളെ സ്വീകരിക്കുന്നു. valence band ഉം മുകളിലത്തെ conducting band ഉം ചേര്‍ന്ന് മൂന്നാമത്തെ band gap ഉണ്ടാകുന്നു. അത് 2.6 eV ഫോട്ടോണ്‍ സ്വീകരിക്കും.

ഈ മൂന്ന് gaps ഉം ചേര്‍ന്ന് സൂര്യപ്രകാശത്തിന്റെ വര്‍ണ്ണ രാജിയിലെ ഏതാണ്ട് മുഴുവനും സ്വീകരിക്കും. ഈ പദാര്‍ത്ഥമുപയോഗിച്ച് നിര്‍മ്മിച്ച single-junction സോളാര്‍ സെല്ലിന് 57% ദക്ഷത ലഭിക്കും. single-junction സോളാര്‍ സെല്‍ വളരെ ലളിതമാണ്. മറ്റ് പദാര്‍ത്ഥങ്ങളിലും പരീക്ഷണം നടത്തി മെച്ചപ്പെട്ട പദാര്‍ത്ഥം കണ്ടുപിടിച്ചാല്‍ സോളാര്‍ സെല്‍ കൂടുതല്‍ ലാഭകരമാകും.

p-type, n-type തരം split-band പദാര്‍ത്ഥങ്ങള്‍ നിര്‍മ്മിക്കുക വിഷമമല്ല. ion process ഉം pulsed laser പ്രയോഗവും വന്‍തോതില്‍ ഉപയോഗിക്കുക വിഷമമാണ്. ഓക്സിജന്‍ പ്രതിഷ്ഠിക്കുന്നത് കുറഞ്ഞത് 0.5 micrometer കനത്തിലെങ്കിലും ആകണം.

ഇപ്പോഴത്തെ സാങ്കേതിക വിദ്യകള്‍ വെച്ച് highly mismatched alloys നിര്‍മ്മിക്കുന്നത് വിഷമകരമാണ് എന്ന് Yu സമ്മതിക്കുന്നു. ജപ്പാനിലെ ഗവേഷകര്‍ zinc selenium ന്റെ പുറത്ത് കട്ടിയേറിയ ഓക്സിജന്‍ പാളി സ്ഥാപിച്ചത് ഈ രംഗത്തെ ഒരു പുരോഗതിയാണെന്ന് അദ്ദേഹം പറഞ്ഞു.

ഈ സമയത്ത് Berkeley Lab ഗവേഷകര്‍ MIT യിലെ Piotr Becla യുമായി single junction സോളാര്‍ സെല്‍ നിര്‍മ്മിക്കാനുള്ള ശ്രമം തുടങ്ങി.

By Paul Preuss
– from lbl

2 thoughts on “ദക്ഷത കൂടിയ സോളാര്‍ സെല്ലുകള്‍

  1. അതുപോലെ ഇത് പങ്ക്‌വെക്കാന്‍ താല്‍പ്പര്യം കാണിച്ച താങ്കള്‍ക്കും കൂപ്പുകൈ.

    ഇപ്പോള്‍ നമുക്ക് ചുറ്റും പ്രവഹിക്കുന്ന ആശയങ്ങളാണ് ഭാവിയില്‍ നല്ലതോ ചീത്തയോ ആയ കാര്യങ്ങള്‍ നമ്മേകൊണ്ട് ചെയ്യിക്കുന്നത്. നല്ല ആശയങ്ങള്‍ പ്രവഹിച്ചാന്‍ നല്ല ഫലങ്ങളുണ്ടാകും. ഹിറ്റ്‌ലറും, റൈഗണും, താച്ചറുമൊക്കെ യാദൃശ്ചികമായി ഉണ്ടായതല്ല. സമൂഹത്തിലെ എല്ലാ മാറ്റങ്ങള്‍ക്കും വളരെ മുമ്പ് തന്നെ അതിന് കാരണമായ ആശയങ്ങളും അതിനെ എതിര്‍ക്കുന്നതും ആയ ആശയങ്ങളും തമ്മില്‍ സമരമുണ്ടാവുകയും, അതില്‍ ജയിക്കാന്‍ കഴിയുന്നവ പിന്നീട് സമൂഹത്തിലെ മാറ്റമാകുകയുമാണ് ചെയ്യുന്നത്. എന്നാല്‍ ഒരു sportsman spirit ഓടെ ആശയങ്ങളുടെ സമരം നടക്കാറില്ല. പകരം 1% ക്കാര്‍ നിയമങ്ങളെ മറികടന്ന് അവരുടെ അജണ്ടകള്‍ അടിച്ചേല്‍പ്പിക്കുന്നു. അവരുടെ ആശയങ്ങളെ സമൂഹത്തില്‍ പ്രചരിക്കാന്‍ അവസരം നല്‍കൂ. മാധ്യമങ്ങളതിനാണല്ലോ. അതുകൊണ്ട് ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ട സാമൂഹ്യവിപ്ലവം അറിവിന്റെ ജനാധിത്യവത്കരണമാണ്.

    മൂല ലേഖനം പഴയതാണെങ്കിലും ഈ ആശയം പ്രചരിക്കുന്നത് ഊര്‍ജ്ജോത്പാദനത്തിന് മറ്റ് വഴികളുണ്ടെന്ന് എന്ന തോന്നലിന് സഹായിക്കുമെന്ന് കരുതുന്നു.

jagadees ന് മറുപടി കൊടുക്കുക മറുപടി റദ്ദാക്കുക

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  മാറ്റുക )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  മാറ്റുക )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  മാറ്റുക )