लालची चमकदार: क्यों सौर ऊर्जा दुनिया को जीत नहीं पाई और "रूसी खनिज" इसे कैसे बचा सकता है

सौर ऊर्जा उन क्षेत्रों में से एक है जहां मानव जाति के अच्छे इरादे तकनीकी क्षमताओं और आर्थिक वास्तविकताओं से लगभग हमेशा आगे हैं। पहले सौर पैनल के निर्माता, अमेरिकी आविष्कारक चार्ल्स फ्रिट्स ने 1881 में वापस भविष्यवाणी की थी कि बहुत जल्द साधारण बिजली संयंत्रों को सौर लोगों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाएगा। और यह इस तथ्य के बावजूद कि उन्होंने जो इंस्टॉलेशन बनाया था, उसमें केवल 1% की दक्षता थी, अर्थात्, इतनी धूप बिजली में बदल गई। 140 वर्षों के बाद, चार्ल्स फ्रिट्स का सपना कभी सच नहीं हुआ: सौर ऊर्जा अभी भी पवनचक्की, जनरेटर, भूतापीय स्प्रिंग्स और खनिजों के साथ धूप में एक जगह के लिए संघर्ष कर रही है। सौर क्रांति को धीमा करता है और सौर पैनलों को बेहतर बनाने के लिए कौन से तरीके हैं?

ऐसा लगता है कि सौर ऊर्जा का आविष्कार करने के बाद, हमने अपने ग्रहों की प्रणाली में सबसे शक्तिशाली रिएक्टर के लिए एक अदृश्य तार को बढ़ाया, जो कम से कम पांच अरब वर्षों के लिए बाहर नहीं जाएगा (और हम इसके बारे में सोचेंगे)। लेकिन सोलर पैनल की दक्षता को केवल पाँच प्रतिशत अंकों तक बढ़ाने में मानवता को लगभग एक सदी लग गई - यह तब हुआ जब 1953 में बेल लैब्स के वैज्ञानिकों ने एक अधिक शक्तिशाली बैटरी बनाई।

फिर भी, हाल के वर्षों में सौर ऊर्जा में प्रगति प्रभावशाली रही है। वे किसी भी अन्य अक्षय ऊर्जा स्रोत (आरईएस) की तुलना में इसमें अधिक निवेश करते हैं। उसी समय, 2010 के बाद से "सौर बिजली" की औसत लागत $ 0.371 से घटकर $ 0.085 प्रति kWh हो गई है।


हाल के वर्षों में, सौर ऊर्जा में निवेश रुक गया है। स्रोत: अंतर्राष्ट्रीय अक्षय ऊर्जा एजेंसी (IRENA), फ्रैंकफर्ट स्कूल-यूएनईपी केंद्र / बीएनईएफ

और फिर भी, सौर ऊर्जा ने अभी तक दुनिया पर विजय प्राप्त नहीं की है। यहां तक ​​कि जर्मनी, जो 2019 की पहली छमाही में कोयला और परमाणु की तुलना में नवीकरणीय ऊर्जा पर अधिक ऊर्जा उत्पन्न करता है, भूरा कोयला क्षमताओं के साथ भाग लेने के लिए कोई जल्दी नहीं है। 2030 तक, उन्हें वर्तमान 45 GW से घटाकर 37 GW करने की योजना है। इसी समय, सौर ऊर्जा की आर्थिक सफलता अभी भी काफी हद तक कर नीतियों और सब्सिडी द्वारा सुनिश्चित की जाती है । यह एक विरोधाभास बताता है: जर्मनी में थोक बिजली की कीमतें यूरोप में सबसे कम हैं, और अंतिम वाले सबसे अधिक हैं।

सौर ऊर्जा को अभी भी "वित्तीय बैसाखी" की आवश्यकता क्यों है? कारण इस प्रकार हैं:

• सौर ऊर्जा सबसे कुशल नहीं है - स्थापित क्षमता उपयोग कारक (केआईएम), अर्थात, सौर पैनलों के लिए निर्माता द्वारा अनुमानित ऊर्जा के लिए वास्तव में उत्पन्न ऊर्जा का अनुपात, सर्दियों में 13-18% और गर्मियों में 30-35% है, जो दूसरों में सबसे कम है। आरईएस, साथ ही गैस और कोयला;
• इसलिए सौर ऊर्जा की उच्च लागत - विश्व औसत $ 0.085 प्रति kWh है, जबकि बायोएनेर्जी में - $ 0.062, भूतापीय स्रोतों के लिए - $ 0.072, पनबिजली - $ 0.047; केवल निकटतम प्रतिद्वंद्वी अधिक महंगा है - $ 0.127 के संकेतक के साथ समुद्र से दूर हवा के खेतों, हालांकि अपतटीय वाले प्रति किलोवाट $ 0.056 पर ऊर्जा प्रदान करते हैं;
• ल्यूमिनेरी से फोटॉनों के आगमन की अस्थिरता हमें ऊर्जा के संचय और वितरण के लिए अतिरिक्त उपकरणों का उपयोग करने के लिए मजबूर करती है (वैसे, हमने इस समस्या के समाधान के बारे में बात की है);
• सौर ऊर्जा प्रणाली को बहुत अधिक स्थान की आवश्यकता होती है, क्योंकि यह क्षेत्र में एक बड़ा स्टेशन है (और शहरों के पास की भूमि महंगी है) या एक घर की विद्युत स्थापना, जिसके लिए आपको न केवल पलटनेवाला और बैटरी कनेक्ट करने की आवश्यकता है, बल्कि रखरखाव के लिए भी पहुंच प्रदान करनी होगी।

इन समस्याओं को हल करने के लिए, आपको सौर पैनलों को सस्ता, अधिक कुशल और - शब्द के शाब्दिक अर्थ में - लचीला बनाने की आवश्यकता है।

सिलिकॉन डिक्टेट

सौर पैनल में एक ऐसी सामग्री होती है जो प्रकाश की ऊर्जा को अच्छी तरह से पकड़ लेती है। आमतौर पर, यह सामग्री धातु की प्लेटों के बीच सैंडविच होती है जो चेन के नीचे फंसी हुई ऊर्जा ले जाती है। उसी 1954 में बेल लैब्स के इंजीनियरों द्वारा निर्मित सोलर पैनल, सिलिकॉन ने प्रमुख भूमिका निभाई। कई संशोधनों के साथ, यह अभी भी सौर कोशिकाओं के लिए सौर कोशिकाओं के उत्पादन पर हावी है, जो 95% पैनलों का आधार बनाता है।

आधी शताब्दी के लिए, मानव जाति ने कई प्रकार के सिलिकॉन सौर सेल विकसित किए हैं। विश्व बाजार का सबसे बड़ा हिस्सा पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन पैनल द्वारा कब्जा कर लिया गया है। वे सापेक्ष उपलब्धता के कारण मांग में हैं, जो कि सस्ती उत्पादन तकनीक के कारण है। लेकिन ऐसे पैनलों की दक्षता एनालॉग्स (14-17%, अधिकतम - 22%) की तुलना में कम है। एक अधिक महंगा, लेकिन अधिक प्रभावी विकल्प एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन पैनल हैं। उनकी दक्षता लगभग 22% (अधिकतम - 27%) है।


सौर पैनलों के उत्पादन के लिए कौन सी प्रौद्योगिकियां दुनिया भर में हावी हैं। जैसा कि आप देख सकते हैं, पॉलीक्रिस्टलाइन सौर मॉड्यूल (61%) ज्यादातर उत्पादित होते हैं, मोनो (32%) कुछ हद तक, और बहुत कम पतली फिल्म (अनाकार) - 5%। स्रोत: सौर ऊर्जा प्रणालियों के लिए फ्राउनहोफर संस्थान; PSE सम्मेलन और परामर्श GmbH

सौर पैनलों की अर्थव्यवस्था और प्रौद्योगिकी में प्रगति के बावजूद, उनकी लागत अधिक बनी हुई है। इसमें वास्तविक बिजली संयंत्र (नियंत्रक, इन्वर्टर, बैटरी) बनाने की लागत को जोड़ा जाना चाहिए, जिसके बिना बैटरी काम नहीं करती है। विभिन्न देशों में, इन मूल्यों में उतार-चढ़ाव होता है, लेकिन खर्च की हिस्सेदारी, वास्तव में, फोटोवोल्टिक इकाई पर अभी भी अधिक है।


विभिन्न देशों में एक "सौर किलोवाट" की लागत क्या होती है? जैसा कि आप देख सकते हैं, सौर ऊर्जा की शुरूआत के अग्रणी देशों में एक तिहाई से लगभग आधी लागत मॉड्यूल की लागत है। स्रोत: अंतर्राष्ट्रीय अक्षय ऊर्जा एजेंसी (IRENA)

सिलिकॉन सिंगल नहीं

अधिक कुशल पैनलों को विकसित करने के प्रयास में, पतली-फिल्म (अनाकार) मॉड्यूल बनाए गए थे। उनका सार सरल है: प्रकाश-जाल सामग्री को फिल्म में बहुत पतली परत में लगाया जाता है, जिससे पैनल आसान और अधिक लचीला हो जाता है, और इसके उत्पादन के लिए कम सामग्री की आवश्यकता होती है।

सच है, उनकी दक्षता सौर दुकान में उनके सहयोगियों की तुलना में बहुत कम है - सिलिकॉन विकल्पों के लिए 6-8%। फिर भी, पतली-फिल्म सौर कोशिकाएं लागत पर जीतती हैं क्योंकि उन्हें केवल 2 से 8 माइक्रोन की चौड़ाई के साथ प्रकाश-फँसाने वाले पदार्थ की एक परत की आवश्यकता होती है, जो कि पारंपरिक क्रिस्टलीय मॉड्यूल में उपयोग किए जाने वाले केवल 1% के बारे में है।

लेकिन पतली-फिल्म पैनल आदर्श नहीं हैं: उनकी कम दक्षता के कारण, उन्हें लगभग 2.5 गुना अधिक मंजिल की जगह की आवश्यकता होती है। इसने वैज्ञानिकों को अधिक प्रभावी सामग्री की तलाश जारी रखने के लिए प्रेरित किया, जो एक तरफ, फिल्म प्रौद्योगिकी के लिए उपयुक्त है, और दूसरी तरफ, यह अधिक प्रभावी होगा। अधिक विदेशी यौगिकों के आधार पर पैनल इस प्रकार दिखाई देते हैं: कैडमियम टेल्यूराइड (CdTe) और इंडियम-कॉपर-गैलियम सेलेनाइड (CIGS)। इन तत्वों की अधिक दक्षता है - पहले मामले में, संकेतक 22% तक पहुंच जाता है, और दूसरे में - 21%। ऐसे सिस्टम बढ़ते तापमान के साथ कम दक्षता खो देते हैं और खराब रोशनी की स्थिति में बेहतर काम करते हैं। हालांकि, उनकी लागत उपयोग की जाने वाली सामग्रियों की दुर्लभता के कारण सिलिकॉन एनालॉग्स से अधिक है। कुछ वैज्ञानिक यह भी मानते हैं कि ऐसे पैनल कभी भी बाजार पर हावी नहीं होंगे, क्योंकि उनके पास पर्याप्त प्राकृतिक संसाधन नहीं होंगे। इसलिए, इस प्रकार का सौर पैनल उपभोक्ताओं के एक संकीर्ण सर्कल के विशिष्ट उद्देश्यों के लिए उपयुक्त एक आला उत्पाद बन गया है। ज्यादातर अक्सर, पतली-फिल्म पैनल उपभोक्ताओं द्वारा अंतरिक्ष की एक बड़ी आपूर्ति के साथ उपयोग किया जाता है: विनिर्माण उद्यम, कार्यालय भवन, विश्वविद्यालय और अनुसंधान केंद्र, बड़े अपार्टमेंट भवन (एक विशाल छत के साथ), और वास्तव में, सौर खेतों - बड़े बिजली संयंत्र। पैमाने की अर्थव्यवस्थाएं और मजबूत और हल्के पतले फिल्म पैनल की स्थापना की सापेक्ष आसानी से उनके अपेक्षाकृत कम (क्रिस्टलीय सिलिकॉन की तुलना में) दक्षता को स्तर देने में मदद मिलती है। इस बीच, फोटॉनों के आदर्श "कैचर" की तलाश जारी है।

नमस्ते रूसी गणना से

सौर ऊर्जा के संभावित तारणहार की भूमिका के लिए एक उम्मीदवार एक सामग्री हो सकती है जिसे पेरोसाइट कहा जाता है। इनमें से पहला, कैल्शियम टाइटनेट, 1839 में जर्मन गुस्ताव रोसा द्वारा यूराल अयस्कों की गहराई में पाया गया था और उसका नाम रूसी रॉक कलेक्टर काउंट एल। ए। पेरोव्स्की के नाम पर रखा गया था, यही वजह है कि उन्हें कभी-कभी "रूसी खनिज" कहा जाता है।

आज, जब perovskite के बारे में बात करते हैं, तो सबसे अधिक बार उनका मतलब उन पदार्थों का एक पूरा वर्ग होता है जिनमें तीन-भाग क्रिस्टलीय संरचना होती है, पहली बार कैल्शियम टिटानेट में पाया जाता है। हालांकि शुद्ध रूप में इस तरह के पदार्थ प्रकृति में बहुत कम पाए जाते हैं, वे आसानी से अन्य यौगिकों के द्रव्यमान से प्राप्त होते हैं, और कृत्रिम रूप से पेर्वोसाइट क्रिस्टल विकसित किए जा सकते हैं। पर्कोव्इट संरचना का प्रत्येक भाग विभिन्न तत्वों से बना हो सकता है, जो "फोटॉन कैचर" की संभावित रचनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला देता है, जिसमें सीसा, बेरियम, लैंथेनम और अन्य तत्व शामिल हैं। तो, यह पहले से ही स्थापित किया गया है कि कुछ क्षार धातुओं के साथ पेरोसाइट का संयोजन 22% तक की दक्षता के साथ एक सौर फोटोकेल के निर्माण की अनुमति देता है, और perovskite पर आधारित यौगिकों की सैद्धांतिक शक्ति 31% तक पहुंच जाती है।

हालांकि, पर्कोव्इट के साथ काम करना इतना सरल नहीं है, और हम तोशिबा में इस बारे में आश्वस्त थे। फिल्म के लिए आवेदन करने के बाद, पेरोवोसाइट बहुत जल्दी क्रिस्टलीकृत हो जाता है, जिससे एक बड़े क्षेत्र पर एक समान परत बनाना मुश्किल हो जाता है। इस बीच, सौर सेल बनाते समय यह मुख्य कार्य है: उच्च ऊर्जा रूपांतरण दक्षता को बनाए रखते हुए सबसे बड़ा संभव सतह क्षेत्र प्राप्त करना।

जून 2018 में, तोशिबा ने सबसे बड़े सतह क्षेत्र और दुनिया में उच्चतम ऊर्जा रूपांतरण दक्षता के साथ एक पतली-फिल्म पेरोसाइट-आधारित सौर सेल का उत्पादन किया। आपने इसे कैसे प्रबंधित किया?

हमने पेरोसाइट (लीड आयोडाइड सॉल्यूशन - PbI ingredients, मिथाइल अमोनियम हाइड्रोआक्साइड - MAI) के निर्माण के लिए आवश्यक अवयवों को विभाजित किया। सबसे पहले, हमने सब्सट्रेट को PbI समाधान और फिर MAI समाधान के साथ लेपित किया। इसके लिए धन्यवाद, हम फिल्म पर क्रिस्टल की वृद्धि दर को समायोजित करने में सक्षम थे, जिससे बड़े क्षेत्र की एक समान और पतली परत बनाना संभव हो गया।


Perovskite- आधारित सौर मॉड्यूल निर्माण प्रौद्योगिकी। वास्तव में, हम "स्याही" को पर्कोसाइट के घटक तत्वों से बनाते हैं और उन्हें सब्सट्रेट पर "स्मीयर" करते हैं। स्रोत: तोशिबा

पेरकोव्साइट अर्थशास्त्र

हालाँकि यह बहुत जल्दबाज़ी में आने वाले विशिष्ट आर्थिक संकेतकों के बारे में बात करने वाला है, क्योंकि सोलर पैनल में इस सामग्री के व्यापक व्यावहारिक उपयोग की भविष्यवाणी 2025 के बाद की गई है, "रूसी खनिज" में एक महान और सफल भविष्य के लिए आवश्यक शर्तें हैं। नेशनल रिन्यूएबल एनर्जी लेबोरेटरी (NREL) के विशेषज्ञों के अनुसार, पर्कोव्इट पैनल का उत्पादन सिलिकॉन समकक्षों की तुलना में दस गुना सस्ता होगा। कम से कम क्योंकि, प्रचलित सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के निर्माण के लिए, 1,400 डिग्री से अधिक के तापमान पर सामग्री का प्रसंस्करण और, तदनुसार, परिष्कृत उपकरण की आवश्यकता होती है। इस बीच, पेरोसाइट्स को सरल उपकरणों पर 100 डिग्री के तापमान पर तरल समाधान में नियंत्रित किया जा सकता है (जैसा कि हमारे प्रयोग में है)।


हमारे द्वारा बनाए गए पेर्कोवसाइट-आधारित मॉड्यूल में 703 वर्ग मीटर का एक क्षेत्र है। देखें। और हमें प्राप्त ऊर्जा रूपांतरण दक्षता 12% तक पहुंच गई। स्रोत: तोशिबा

पेरोसाइट फोटोकल्स के दो अन्य फायदे हैं - लचीलापन और पारदर्शिता। उनके लिए धन्यवाद, विभिन्न स्थानों में पर्कोव्इट सौर पैनल स्थापित किए जा सकते हैं: दीवारों पर, वाहनों और इमारतों की छतों पर, खिड़कियों पर और यहां तक ​​कि कपड़ों पर भी।

पेरोसाइट परत की मोटाई को समायोजित करके, इस सामग्री के आधार पर सौर कोशिकाओं की पारदर्शिता को नियंत्रित करना संभव है। उदाहरण के लिए, इसका उपयोग ग्रीनहाउस को कवर करने में किया जा सकता है : पौधों को सही मात्रा में फोटॉन प्राप्त होंगे, और उनमें से हिस्सा खेत की बिजली ग्रिड द्वारा आपूर्ति की जाएगी। पौधों और प्रकाश पैनलों द्वारा खपत उचित अनुपात का निर्धारण करने के लिए प्रयोग जापान में पहले से ही किए जा रहे हैं।

आवेदन का एक अन्य संभावित क्षेत्र इलेक्ट्रिक कारों को पर्कोव्इट पर आधारित सौर पैनलों से लैस करना है। जबकि हम इस रास्ते की शुरुआत में हैं, लेकिन पहले से ही उपलब्धियां हैं। तो, वेस्टर्न रिजर्व यूनिवर्सिटी ऑफ केस (ओहियो, यूएसए) के वैज्ञानिकों ने इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी को रिचार्ज करने के लिए छोटे पर्कोव्साइट आधारित सौर पैनलों का उपयोग किया। उन्होंने चार पेर्कोवसाइट-आधारित सौर कोशिकाओं को लिथियम बैटरी से जोड़ा। जब छोटे सिक्के के आकार की लिथियम-आयन बैटरी चार्ज करने के लिए कनेक्ट किया जाता है, तो वैज्ञानिकों की टीम ने 7.8% की रूपांतरण दक्षता हासिल की, जो पारंपरिक पतली-फिल्म सौर कोशिकाओं से आधी है।

यह भी संभव है कि जल्द ही पर्कोव्इट सौर पैनलों से रिबन आपकी शर्ट या जैकेट को सजाएंगे । यह पहले से ही एक पॉलीयुरेथेन सब्सट्रेट पर पेरोसाइट के आवेदन के बारे में जाना जाता है, जिसमें सूर्य के अवशोषण में दक्षता 5.72% तक पहुंच गई ।

और रूस में, वे पर्कोव्इट के साथ प्रयोगों में और भी आगे बढ़ गए। जैसा कि यह निकला, यह सामग्री एक अच्छा उत्सर्जक हो सकती है और प्रकाश उत्पन्न करने के लिए उपयुक्त है। मॉस्को इंस्टीट्यूट ऑफ स्टील एंड अलॉयज (MISiS) और सेंट पीटर्सबर्ग यूनिवर्सिटी ऑफ इंफॉर्मेशन टेक्नोलॉजी, मैकेनिक्स एंड ऑप्टिक्स के वैज्ञानिकों ने एक पेकोवसाइट-आधारित सौर सेल विकसित किया है जो एक साथ बैटरी और एक एलईडी के रूप में काम कर सकता है । आधार हैलोजन पेर्कोवाइट। फ़ंक्शन को स्विच करने के लिए, डिवाइस को आपूर्ति की गई वोल्टेज को बदलना पर्याप्त है: 1.0 V तक के स्तर पर, प्रोटोटाइप सौर सेल के रूप में काम करता है, और यदि 2.0 V से अधिक आपूर्ति की जाती है, तो एलईडी मोड चालू होता है। भविष्य में, वैज्ञानिक कांच की फिल्में विकसित कर सकते हैं जो दिन में ऊर्जा उत्पन्न करेंगे और अंधेरे में प्रकाश का उत्सर्जन करेंगे। इस मामले में, अधिकतम फिल्म की मोटाई 3 माइक्रोन से अधिक नहीं होती है, जो कांच की पारदर्शिता को बनाए रखेगा। यानी अंधेरा नहीं होगा।


लगभग सभी मामलों में, पेरोविसाइट अपने प्रतिद्वंद्वियों से बेहतर है, जिसमें किसी दिए गए पदार्थ से सौर सेल के पूरे जीवन में बिजली की औसत लागत (लेवलड कॉस्ट ऑफ एनर्जी, एलसीओई) शामिल है। पेरोसाइट यौगिकों की विषाक्तता के कारण अप्रचलित पैनलों के निपटान के साथ ही कठिनाइयां संभव हैं। स्रोत: ग्रुप ऑफ मॉलिक्यूलर इंजीनियरिंग ऑफ फंक्शनल मटेरियल (जीएमएफ), स्विट्जरलैंड

पैमाने की अर्थव्यवस्थाएं

इसलिए, पर्कोवसाइट सौर ऊर्जा को बढ़ावा देने में न केवल इसकी आर्थिक सामर्थ्य के कारण, बल्कि इसके व्यापक दायरे के कारण भी मदद कर सकता है: उद्योग, शहरी और कृषि के अलावा, पर्कोव्इट-आधारित पैनल रोजमर्रा की जिंदगी में भी उपयोग किए जा सकते हैं, विशेष रूप से छोटे-बड़े उत्पादन में इलेक्ट्रॉनिक्स, घरेलू उपकरण और यहां तक ​​कि कपड़े भी। और अनुप्रयोगों की व्यापक सीमा, बाजार की क्षमता जितनी अधिक होगी, जो नए निवेशकों को आकर्षित करेगी और सौर बिजली की लागत को कम करेगी।