अगली पीढ़ी की सौर सामग्री नवीकरणीय ऊर्जा में क्रांति लाने का वादा करती है

2021 में, महाराष्ट्र के धुले जिले के देगांव गांव में 7 मेगावाट का ‘एग्रो-फोटोवोल्टिक’ सौर संयंत्र चालू किया गया । यह पौधा इस मायने में विशिष्ट है कि इसमें कृषि फसलों की खेती सौर पैनलों की पंक्तियों के बीच की जाती है, जो एक सुरक्षात्मक छतरी की तरह ऊपर की ओर फैली होती हैं। यह अभिनव व्यवस्था किसानों को बिजली की आपूर्ति के साथ-साथ महत्वपूर्ण भूमि का संरक्षण भी करती है। पारंपरिक सौर परियोजनाओं के विपरीत, जो अक्सर कृषक समुदायों को विस्थापित करती हैं, इस परियोजना का किसानों और स्थानीय निवासियों द्वारा स्वागत किया गया है। यह भारत में 22 ऐसी कृषि-वोल्टाइक परियोजनाओं (https://www.agrivoltaics.in/agripv-map-of-india) में से एक है, जहाँ भूमि का उपयोग कृषि और सौर ऊर्जा उत्पादन के लिए एक साथ किया जाता है।

नवंबर 2022 में COP26 शिखर सम्मेलन में, भारत ने 2030 तक अपनी ऊर्जा आवश्यकताओं का 50% नवीकरणीय ऊर्जा से पूरा करने की प्रतिबद्धता जताई। इस लक्ष्य तक पहुँचने के लिए एक आवश्यक कदम सौर ‘फार्मों’ का विकास करना है जो सौर पैनलों का उपयोग करके सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा उत्पन्न करते हैं। अधिकांश देशों में सौर ऊर्जा सबसे सस्ता ऊर्जा स्रोत है। हालांकि, कृषि योग्य भूमि पर पारंपरिक सौर फार्म का निर्माण, जहां सौर पैनलों को जमीन के करीब एक तंग व्यवस्था में रखा जाता है, उसे फसल की खेती के लिए अनुपयुक्त बना देगा। दूसरी ओर, एग्रीवोल्टेइक परियोजनाओं में सौर सेल होते हैं – जो आमतौर पर सिलिकॉन से बने होते हैं – जिन्हें फैलाया जाता है और खंभों पर खड़ा किया जाता है ताकि फसलों के लिए पर्याप्त सूर्य का प्रकाश सुनिश्चित हो सके और कृषि मशीनरी को संचालित करने के लिए जगह मिल सके। कुछ मामलों में, सौर सेल एक अक्ष पर घूमकर फसलों के लिए सूर्य के प्रकाश की उपलब्धता को भी समायोजित कर सकते हैं – वे अधिकतम प्रकाश को प्राप्त करने के लिए क्षैतिज रूप से झुक सकते हैं, तथा फसलों पर अधिकतम प्रकाश पड़ने देने के लिए ऊर्ध्वाधर रूप से झुक सकते हैं। हालांकि, इन संशोधनों से स्थापना लागत में बहुत वृद्धि हो सकती है। एक विकल्प के रूप में, वैज्ञानिक (आईआईएससी के वैज्ञानिकों सहित) अर्ध-पारदर्शी सौर कोशिकाओं के उपयोग की खोज कर रहे हैं जो प्रकाश के कुछ हिस्से को उनके माध्यम से गुजरने देते हैं। इन सेल को विकसित करने के लिए, वे पेरोव्स्काइट्स नामक सामग्रियों के एक नए वर्ग पर निर्भर हैं।

उच्च दक्षता वाले सौर सेल बनाने के लिए लेड-हेलाइड पेरोव्स्काइट की क्षमता विशेष रूप से उल्लेखनीय है। मूल रूप से, शब्द ‘पेरोव्स्काइट’ का अर्थ खनिज कैल्शियम टाइटेनियम ऑक्साइड (CaTiO3) था, लेकिन अब इसका उपयोग उन सामग्रियों के पूरे परिवार को संदर्भित करने के लिए किया जाता है जिनकी क्रिस्टल संरचना CaTiO3 के समान होती है, जिसे ABX3 संरचना कहा जाता है। यहां, ‘ए’, ‘बी’ और ‘एक्स’ अलग-अलग तत्वों को संदर्भित करते हैं, जिसमें ए एक कार्बनिक धनायन (धनात्मक चार्ज वाला परमाणु) है। लेड-हैलाइड पेरोव्स्काइट्स में, तत्व लेड ‘बी’ स्लॉट पर कब्जा करता है, और फ्लोरीन या क्लोरीन जैसे हैलाइड ‘एक्स’ स्लॉट पर कब्जा करते हैं। आईआईएससी के सेंटर फॉर नैनो साइंस एंड इंजीनियरिंग (सीईएनएसई) के एसोसिएट प्रोफेसर सुशोभन अवस्थी कहते हैं, “पेरोवस्काइट्स में बेहतरीन गुण होते हैं। दक्षता के मामले में, वे सिलिकॉन के साथ प्रतिस्पर्धी हैं।”

पेरोव्स्काइट बेहतर क्यों हैं?

एक सामान्य सौर सेल में कई परतें होती हैं। इनमें से, ‘सक्रिय परत’ वह परत होती है जो इलेक्ट्रॉनों को उत्पन्न करने के लिए जिम्मेदार होती है जो सौर सेल से करंट के रूप में बाहर निकलते हैं। सक्रिय परत अर्धचालक पदार्थों से बनी होती है। सौर सेल पर पड़ने वाला प्रकाश इलेक्ट्रॉन और होल युग्म उत्पन्न करता है, जो विद्युत धारा के वाहक होते हैं। आईआईएससी के सॉलिड स्टेट एंड स्ट्रक्चरल केमिस्ट्री यूनिट (एसएससीयू) के प्रोफेसर सतीश पाटिल बताते हैं, “यदि सक्रिय परत पर पड़ने वाले प्रकाश कणों की ऊर्जा बैंड गैप से कम है, तो उन्हें अवशोषित नहीं किया जा सकता है।” इसके अतिरिक्त, प्रकाश के अवशोषण के बाद कई ‘हानि तंत्र’ उत्पन्न होते हैं, जो दर्शाता है कि सौर सेल स्वाभाविक रूप से पूर्ण दक्षता तक पहुँचने में असमर्थ हैं।

मैटेरियल्स इंजीनियरिंग विभाग में सहायक प्रोफेसर सचिन रोंडिया अपनी प्रयोगशाला में ऊर्जा सामग्री और उपकरणों पर अनुसंधान करते हैं। उन्होंने इस बात पर जोर दिया: “पेरोवस्काइट सौर कोशिकाओं (पीएससी) में तकनीकी सुधार अगली पीढ़ी के पेरोवस्काइट सामग्रियों के लिए डिजाइन नियमों की गहरी समझ के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है ताकि इन उपकरणों के भीतर दोषों और इंटरफेस की हानि को सहन किया जा सके।” वह पेरोवस्काइट सामग्रियों के औद्योगिक लाभों को रेखांकित करते हैं, जो “अभिनव सामग्री इंजीनियरिंग और पारंपरिक सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के साथ मिलकर संरचित एकीकरण के माध्यम से संभव हुआ है, जिसके परिणामस्वरूप पारंपरिक सौर सेल प्रौद्योगिकियों की तुलना में अधिक कुशल प्रकाश अवशोषण होता है।”

सुशोभन कहते हैं, “पेरोवस्काइट को कांच, प्लास्टिक और स्टील जैसी विभिन्न सतहों पर कम से कम प्रयास के साथ लगाया जा सकता है और साथ ही उनकी दक्षता भी बनी रहती है। हमें ऐसी कोई अन्य सामग्री नहीं पता जो ऐसा कर सके।” PSCs असाधारण रूप से दोष-सहिष्णु हैं, जिसका अर्थ है कि सामग्री में खामियों से उनका प्रदर्शन बहुत अधिक प्रभावित नहीं होता है। इसका मतलब है कि उन्हें समाधान प्रसंस्करण जैसे कम लागत वाले तरीकों का उपयोग करके जल्दी से निर्मित किया जा सकता है।

विलयन प्रसंस्करण में, पेरोवस्काइट के लिए प्रारंभिक सामग्री को विलयन में घोला जाता है, जिसे वांछित सतह पर कई तरीकों में से किसी एक के द्वारा लगाया जाता है – नोजल से छिड़काव (स्प्रे कोटिंग), विलयन के एक टब में सतह को डुबाना (डुबकी कोटिंग), घूमती हुई सतह पर घोल डालना ताकि विलयन समान रूप से फैल जाए (स्पिन कोटिंग), या इंकजेट मुद्रण द्वारा, ठीक उसी तरह जैसे प्रिंटर कागज पर स्याही छिड़कता है। लगाए गए घोल को वाष्पित होने दिया जाता है, जिससे पेरोवस्काइट की एक पतली परत पीछे रह जाती है। घोल प्रसंस्करण कमरे के तापमान पर और काफी सरल मशीनों का उपयोग करके किया जा सकता है। इसके विपरीत, सिलिकॉन सौर सेल के उत्पादन के लिए अत्यधिक विनियमित और उन्नत रिएक्टरों में लंबे समय तक काम करना पड़ता है, जो 1,500 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर संचालित होते हैं। मैटेरियल इंजीनियरिंग विभाग के प्रोफेसर प्रवीण राममूर्ति बताते हैं, “भारत में सिलिकॉन सोलर सेल/वेफ़र बनाने की सुविधाएँ नहीं हैं, इसलिए हमें उन्हें चीन जैसे दूसरे देशों से आयात करना पड़ता है।” इसलिए, उनके निर्माण में आसानी पीएससी का सबसे बड़ा लाभ है।

व्यावसायीकरण की चुनौतियाँ

लेकिन विनिर्माण की यह आसानी उन्हें व्यावसायिक बनाने में सबसे बड़ी चुनौती की ओर ले जाती है – टिकाऊपन। “ऊष्मप्रवैगिकी के अनुसार, जो बनाना आसान है उसे तोड़ना भी आसान है। सुशोभन बताते हैं, “इस प्रकार, पेरोवस्काइट सौर सेल अस्थिर होते हैं और जल्दी खराब हो जाते हैं और उनकी दक्षता में भारी गिरावट आती है।” लेकिन पीएससी की स्थिरता में सुधार करने के दो तरीके हैं। “पहला तरीका पेरोव्स्काइट की संरचना को बदलना है ताकि वे आंतरिक रूप से अधिक स्थिर हों, और दूसरा तरीका पीएससी का प्रावरण करना है ताकि वे ऑक्सीजन और पानी से सुरक्षित रहें,” वे कहते हैं। पहली विधि सुशोभन की प्रयोगशाला में शोध के क्षेत्रों में से एक है। उन्होंने हाल ही में लीड-हेलाइड पेरोव्स्काइट की एक नई रचना विकसित की है जिसने मूल रचना की तुलना में अधिक स्थिरता दिखाई – नवीनतम पीएससी ने परिवेशी परिस्थितियों में 480 घंटों के बाद अपनी प्रारंभिक दक्षता का 70% प्रतिधारण प्रदर्शित किया, जबकि मूल पीएससी की दक्षता उसी समय सीमा के भीतर 43% तक गिर गई थी।

एक और चुनौती स्केलेबिलिटी है। जब शोधकर्ता सौर सेलों की दक्षता पर रिपोर्ट करते हैं, तो वे आम तौर पर प्रयोगशाला-स्तरीय सौर सेल के बारे में बात करते हैं, जो आमतौर पर 1 सेमी2 से कम क्षेत्र का होता है। प्रयोगशाला-स्तरीय सौर सेल बनाने के लिए इस्तेमाल की जाने वाली समान जमावट तकनीक का उपयोग बड़े पैमाने पर वाणिज्यिक अनुप्रयोगों में नहीं किया जा सकता है। सुशोभन कहते हैं, “मैं अपनी प्रयोगशाला में सौर सेल बनाने के लिए स्पिन कोटिंग का उपयोग करता हूं, जो छोटे क्षेत्रों के लिए तो बहुत अच्छी तरह से काम करता है, लेकिन कुछ वर्ग मीटर के क्षेत्र वाले सौर सेल के लिए यह बुरी तरह विफल हो जाता है।” उन्होंने आगे कहा कि बड़े पैमाने पर जमाव के लिए नई प्रक्रियाओं को विकसित करना होगा। यही कारण है कि वह एबीएक्स3 पीवी नामक स्टार्ट-अप के लिए बड़े पैमाने पर जमाव तकनीक विकसित करने में भाग ले रहे हैं – जो भारत में अपनी तरह का एकमात्र है, वे कहते हैं – जो पीएससी का व्यवसायीकरण करने की कोशिश कर रहा है। वे कहते हैं, “लक्ष्य कम से कम 100 सेमी2 आकार का पेरोवस्काइट सोलर मॉड्यूल बनाना है।”

आगे आने वाली चुनौतियों के बावजूद, प्रवीण इन अगली पीढ़ी की सौर सामग्रियों की सफलता के बारे में आशावादी हैं। वे बताते हैं, “पीएससी अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में हैं।” “कुछ दशक पहले, सिलिकॉन सौर सेल बहुत ही अकुशल और अविश्वसनीय थे। देखिए कि हम अब कहाँ हैं। अगर लोग इस पर काम करते रहें तो पीएससी पर भी इसी तरह की प्रगति की जा सकती है। फोटोवोल्टिक्स पर काम करने के लिए यह एक अद्भुत समय है।”