एग्रीवोल्टाइक्स के लिए प्रकाश प्रबंधन प्रौद्योगिकियाँ

योजना: यहां तक कि सौर-साझाकरण एवी समाधान, समाधान ~8 गुना विकिरण को फोटोवोल्टिक के छाया क्षेत्र की ओर फैलाने में सक्षम बनाता है जैसा कि किरण ट्रेस में दिखाया गया है।

एग्रीवोल्टिक्स (एवी) की अवधारणा को अब इस तथ्य को देखते हुए वैश्विक सराहना मिल रही है कि यह भूमि-उपयोग दक्षता को बढ़ा सकता है, क्योंकि यह एक ही भूमि क्षेत्र के लिए दोहरे उपयोग की अवधारणा पर प्रकाश डालता है, यानी कृषि गतिविधियों और पीवी स्थापना दोनों के लिए। इसलिए, अपने खेत में एवी को अपनाने से, किसानों को भोजन और ऊर्जा दोनों पैदा करके दोहरी आय का लाभ मिलता है, जिससे किसानों की आय दोगुनी करने के लिए भारत सरकार (जीओआई) के मिशन को पूरा किया जा सकता है। एग्रीवोल्टिक्स क्षेत्र में सौर प्रकाश ऊर्जा प्रबंधन के लिए आवश्यक प्रकाशिकी हस्तक्षेपों के महत्व को महसूस करते हुए, सीएसआईआर-एनआईआईएसटी ने अभिनव प्रकाश-साझाकरण एवी समाधान विकसित किया है। विकसित समाधान वर्तमान में टीआरएल 4 पर है और छाया-असहिष्णु पौधों, जो वाणिज्यिक फसलों का एक प्रमुख उपसमूह है, को भी एवी समाधान प्रदान कर सकता है। इसके अलावा, ट्यून करने योग्य किरण प्रसार और वर्णक्रमीय रूपांतरण हमारे एवी सिस्टम को अत्याधुनिक एग्रीवोल्टिक्स सिस्टम की तुलना में पीवी कवरेज क्षेत्र को बढ़ाकर परिवर्तनीय फसल ऊंचाई, पीपीएफडी आवश्यकताओं और बढ़ी हुई बिजली उत्पादन के साथ संगत बनाता है।

पारंपरिक सौर सांद्रक दर्पण और लेंस पर निर्भर करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप भारी सिस्टम बनते हैं जो महत्वपूर्ण स्थान घेरते हैं और जटिल ट्रैकिंग तंत्र की आवश्यकता होती है। इन प्रणालियों को स्थापित करना न केवल उनके आकार और संरचनात्मक जटिलता के कारण महंगा है, बल्कि दो-अक्ष ट्रैकिंग प्रणाली की भी आवश्यकता होती है, जिससे लागत और बढ़ जाती है। इसके विपरीत, कम-सांद्रता (10X से कम) समतल प्रकाश सांद्रक (पीएलसी) अधिक सुव्यवस्थित समाधान प्रदान करते हैं। गैर-इमेजिंग ऑप्टिक्स तकनीक के साथ मिलकर उनका गैर-भारी डिज़ाइन उन्हें फोकल बिंदु के बिना प्रकाश को केंद्रित करने में सक्षम बनाता है, जो संरचना को काफी सरल बनाता है। इसके अतिरिक्त, कम-एकाग्रता वाले ऑप्टिक्स अपने उच्च-सांद्रता समकक्षों के लिए आवश्यक जटिल थर्मल प्रबंधन प्रणालियों की आवश्यकता से बचते हैं, जिससे लागत में और कमी आती है। हालाँकि, वर्तमान में बाजार में मौजूद पीएलसी आमतौर पर मल्टी-एलिमेंट माइक्रो-लेंस या दर्पण पर निर्भर होते हैं और जटिल ट्रैकिंग सिस्टम की आवश्यकता होती है। इसे संबोधित करने के लिए, सीएसआईआर-एनआईआईएसटी ने एक कम जटिल, कम-एकाग्रता (10X से कम) पीएलसी का बीड़ा उठाया है। यह नवीन, पेटेंट डिज़ाइन बिना किसी फोकल लंबाई के एकल-तत्व प्रकाशिकी को एकीकृत करता है और मौसमी परिवर्तनों के लिए केवल आवधिक समायोजन की आवश्यकता होती है। यह नवाचार प्रोटोटाइप चरण (टीआरएल4) तक पहुंच गया है और प्लास्टिक ऑप्टिक्स मॉड्यूल के लिए इंजेक्शन मोल्डिंग जैसे तरीकों के माध्यम से विनिर्माण में आसानी का वादा करता है। इन पीएलसी का कॉम्पैक्ट डिज़ाइन उन्हें बेहद बहुमुखी बनाता है, और बिल्डिंग-इंटीग्रेटेड फोटोवोल्टिक्स (बीआईपीवी) में एकीकरण या बड़े उपयोगिता खेतों तक स्केलिंग के लिए उपयुक्त है।

क्रोमोजेनिक ग्लास और स्मार्ट विंडोज़ अनुसंधान

विभिन्न क्षेत्रों में ग्लास के उपयोग में तेजी से वृद्धि के कारण, एसडीजी-11 जैसे संयुक्त राष्ट्र के कई सतत विकास लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए स्विचेबल क्रोमोजेनिक ग्लास महत्वपूर्ण हैं। ये ऑप्टिकल परिवर्तन सीधे सौंदर्यशास्त्र, गोपनीयता नियंत्रण, या, अधिक महत्वपूर्ण बात, एक आरामदायक इनडोर तापमान बनाए रखने में ऊर्जा की खपत को कम करने से संबंधित हो सकते हैं। इलेक्ट्रोक्रोमिक सामग्री बाजार का वैश्विक मूल्य 2020 के बाद से 7% की सीएजीआर से बढ़ कर 2025 तक लगभग 2 बिलियन डॉलर तक पहुंचने की उम्मीद है। इसके अतिरिक्त, क्रोमोजेनिक ग्लास-आधारित डिस्प्ले कागजात जैसे इलेक्ट्रॉनिक बोर्डों के लिए सबसे शक्तिशाली हैं, जो संबंधित ऊर्जा दंड के बिना परिवेश प्रकाश स्थितियों में बेहतर दृश्यता प्रदान करते हैं। ये डिस्प्ले सक्रिय और निष्क्रिय मैट्रिक्स एड्रेसिंग (एएमएडी, पीएमएडी) का उपयोग कर सकते हैं, जो पहनने योग्य उपकरणों के साथ काफी इंजीनियरिंग लचीलापन और अनुकूलता प्रदान करते हैं।

डायनेमिक पावर विंडो टेक्नोलॉजी

पारदर्शिता-स्विचिंग विंडो में ऊर्जा उत्पादन को एकीकृत करना स्विच करने योग्य पारदर्शिता और ऊर्जा उत्पादन क्षमताओं के साथ अधिक स्थिर सामग्रियों की आवश्यकता के कारण एक चुनौती प्रस्तुत करता है, जो एक अनुसंधान एवं विकास बाधा बनी हुई है। इस मुद्दे को हल करने के लिए, सीएसआईआर-एनआईआईएसटी ने डायनेमिक पावर विंडो (डीपीडब्ल्यू) तकनीक (टीआरएल 4) विकसित और प्रदर्शित की, जो एक अभूतपूर्व नवाचार है जो सभी मोड में स्विच करने योग्य पारदर्शिता मोड और ऊर्जा उत्पादन की अनुमति देता है - यह अपनी तरह की पहली तकनीक है। डीपीडबल्यू विंडो परतों के अपवर्तक सूचकांक को बदलकर इन क्षमताओं को प्राप्त करता है, जिससे फैला हुआ और प्रत्यक्ष सूर्य के प्रकाश दोनों के पार्श्व पुनर्निर्देशन को सक्षम किया जाता है, जहां एक पीवी सेल ऊर्जा उत्पादन के लिए वैकल्पिक रूप से युग्मित होता है। नतीजतन, विकसित डीपीडब्ल्यू अन्य गतिशील विंडो ग्लास की तुलना में महत्वपूर्ण लागत में कमी और ऊर्जा उत्पादन क्षमता प्रदान करता है, जो इसे व्यापक दर्शकों के लिए आकर्षक बनाता है। इलेक्ट्रो-, फोटो- और थर्मोक्रोमिक सिस्टम का उपयोग करके गतिशील ग्लेज़िंग भवन और ऑटोमोटिव क्षेत्रों के लिए उनके प्रकाश और गर्मी थ्रूपुट को नियंत्रित करने के लिए ट्यून करने योग्य ऑप्टिकल गुण प्रदान करता है।

तापविद्युत सामग्री और उपकरण

ऊष्मा ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में प्रतिवर्ती रूपांतरण का उपयोग बिजली उत्पादन और ठोस-अवस्था प्रशीतन के लिए किया जा सकता है। कार्यात्मक उपयोग के लिए बिजली का उत्पादन करने के लिए विभिन्न निम्न-श्रेणी के ताप स्रोतों को टैप करने की वैश्विक मांग है। हालाँकि, पारंपरिक TE सामग्री भारी तत्वों का उपयोग करती है; इसलिए, टीई पावर जेनरेटर (टीईजी) आमतौर पर पोर्टेबिलिटी और पॉइंट-ऑफ-केयर अनुप्रयोगों के लिए काफी महंगे होते हैं। सामाजिक पारिस्थितिकी तंत्र पर्यावरण और मानव स्वास्थ्य निगरानी के लिए पहनने योग्य उपकरणों, सेंसर और इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) उपकरणों पर तेजी से निर्भर हो रहा है। ये उपकरण अधिकतर बैटरियों पर निर्भर होते हैं जो निरंतर संचालन के लिए अनुपयुक्त होते हैं और इनमें उच्च कार्बन फुटप्रिंट होता है। हल्के और मजबूत टीईजी को स्व-संचालित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को सक्षम करके, पोर्टेबल और लचीले बिजली जनरेटर के लिए ऊर्जा स्वायत्तता प्राप्त करके इन मुद्दों को हल करने का अनुमान है। हमारी विशेषज्ञता नवीन कार्बनिक, कार्बनिक-अकार्बनिक संकर सामग्रियों, सामग्रियों के लक्षण वर्णन और उनके परिवहन गुणों के विस्तृत अध्ययन से उपकरणों और मॉड्यूल को विकसित करने में निहित है।

सुपरकैपेसिटर

इलेक्ट्रिक डबल-लेयर कैपेसिटर (ईडीएलसी) और स्यूडोकैपेसिटर के प्रदर्शन को बढ़ाने में नैनोस्ट्रक्चर्ड इलेक्ट्रोड सामग्रियों का डिजाइन और विकास महत्वपूर्ण है। ग्राफीन और कार्बन नैनोट्यूब जैसी सामग्रियों को उच्च सतह क्षेत्र रखने के लिए सावधानीपूर्वक इंजीनियर किया जाता है, जिससे ईडीएलसी के लिए तेजी से आयन सोखना और विशोषण की सुविधा मिलती है। आकारिकी और सरंध्रता पर सटीक नियंत्रण सुनिश्चित करने के लिए रासायनिक वाष्प जमाव और टेम्प्लेटिंग विधियों जैसी तकनीकों का उपयोग करके इन नैनोसंरचनाओं का निर्माण किया जाता है। संक्रमण धातु ऑक्साइड और संवाहक पॉलिमर जैसी सामग्रियों का उपयोग करने वाले स्यूडोकैपेसिटर को नियंत्रित रासायनिक संश्लेषण के माध्यम से उच्च रेडॉक्स गतिविधि प्रदर्शित करने के लिए नैनोस्केल पर भी डिज़ाइन किया गया है। इसके अलावा, सुपरकैपेसिटर के दायरे में, सममित और असममित दोनों विन्यास निर्मित होते हैं। सममित सुपरकैपेसिटर समान इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हैं, जो ऊर्जा और बिजली घनत्व के संदर्भ में संतुलित प्रदर्शन प्रदान करते हैं। इसके विपरीत, असममित सुपरकैपेसिटर विशिष्ट विशेषताओं, जैसे बढ़ी हुई वोल्टेज रेंज या ऊर्जा घनत्व को अनुकूलित करने के लिए विभिन्न इलेक्ट्रोड सामग्रियों को जोड़ते हैं। इन सुपरकैपेसिटर कॉन्फ़िगरेशन के निर्माण में नैनोसंरचित इलेक्ट्रोड सामग्रियों को अनुरूप गुणों के साथ एकीकृत करना, ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकी की सीमाओं को अधिक कुशल और बहुमुखी समाधानों की ओर बढ़ाना शामिल है।

ली-आयन बैटरियों के लिए कैथोड सामग्री

कैथोड सामग्री ली-आयन बैटरी के महत्वपूर्ण घटक हैं, जिनमें लिथियम आयरन फॉस्फेट (एलएफपी), निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (एनएमसी), और लिथियम मैंगनीज निकल ऑक्साइड (एलएमएनओ) सहित उल्लेखनीय उदाहरण हैं। एलएफपी, जो अपनी सुरक्षा और स्थिरता के लिए प्रसिद्ध है, को ठोस-अवस्था प्रतिक्रियाओं या सोल-जेल प्रक्रियाओं जैसे तरीकों का उपयोग करके संश्लेषित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप उन्नत लिथियम-आयन प्रसार गुणों वाले नैनोकण प्राप्त होते हैं। ऊर्जा घनत्व और दीर्घायु के संतुलन के लिए पसंदीदा एनएमसी, क्षमता और वोल्टेज स्थिरता को अनुकूलित करने वाले नैनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए नियंत्रित वर्षा या सह-वर्षा से गुजरता है। एलएमएनओ, अपने उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ, हाइड्रोथर्मल या ठोस-अवस्था प्रतिक्रियाओं के माध्यम से संश्लेषित किया जाता है, जिससे नैनो-आकार के कण उत्पन्न होते हैं जो विशिष्ट क्षमता और दर प्रदर्शन में सुधार करते हैं। ये कैथोड सामग्रियां ली-आयन बैटरियों की दक्षता और प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण हैं, जो स्मार्टफोन से लेकर इलेक्ट्रिक वाहनों तक कई उपकरणों को शक्ति प्रदान करती हैं। एनआईआईएसटी (राष्ट्रीय अंतर्विषयी विज्ञान तथा प्रौद्योगिकी संस्थान) के वैज्ञानिक अगली पीढ़ी की ली-आयन बैटरियों के लिए एनएमसी और एलएमएनओ कैथोड सामग्रियों के संश्लेषण तरीकों और प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए परिश्रमपूर्वक काम कर रहे हैं।

इलेक्ट्रोकैटलिटिक जल विभाजन

हाइड्रोजन और ऑक्सीजन उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रोकैटलिटिक जल विभाजन ने अत्यधिक ध्यान आकर्षित किया है क्योंकि यह मानवता की लगातार बढ़ती ऊर्जा मांगों को पूरा कर सकता है और एक पर्यावरण-अनुकूल ऊर्जा उत्पादन तंत्र है। आदर्श रूप से, पानी के इलेक्ट्रोलिसिस में दो अर्ध-सेल प्रतिक्रियाएं शामिल होती हैं - हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया (एचईआर) और ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (ओईआर) के लिए ∆E ° = 1.23 V बनाम सामान्य हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (NHE) की सैद्धांतिक इनपुट ऊर्जा की आवश्यकता होती है। लेकिन दो-इलेक्ट्रॉन एचईआर तंत्र और चार-इलेक्ट्रॉन ओईआर तंत्र की सुस्त गतिकी के कारण जल विभाजन प्रक्रिया शुरू करने के लिए अतिरिक्त मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है। हाल ही में, अनुसंधान कुशल इलेक्ट्रोकैटलिस्ट सामग्रियों को डिजाइन करने और संश्लेषित करने की दिशा में प्रगति कर रहा है जो जल इलेक्ट्रोलिसिस के लिए आवश्यक अतिक्षमता (सैद्धांतिक और आवश्यक क्षमता के बीच अंतर) को कम कर सकता है। सीएसआईआर-एनआईआईएसटी में, एक टीम वर्तमान में इलेक्ट्रोकैटलिटिक वॉटर स्प्लिटिंग के लिए 2डी ट्रांज़िशन मेटल डाइक्लोजेनाइड्स के विकास पर ध्यान केंद्रित कर रही है।

हरित अमोनिया और यूरिया संश्लेषण

दुनिया भर में अमोनिया के उत्पादन के लिए जीवाश्म ईंधन की आवश्यकता होती है और यह महत्वपूर्ण ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन से जुड़ा है। जीवाश्म ईंधन-आधारित अमोनिया को हरित या कार्बन-मुक्त अमोनिया से बदलना शिक्षा जगत, उद्योग और सरकारों के लिए प्राथमिकता है। अमोनिया उर्वरक का एक प्रमुख घटक है, लेकिन यह समुद्री क्षेत्र के लिए कार्बन मुक्त ईंधन और हाइड्रोजन वेक्टर के रूप में भी तेजी से लोकप्रिय हो रहा है। हालाँकि, हैबर-बॉश प्रक्रिया द्वारा पारंपरिक अमोनिया उत्पादन बहुत कठोर प्रतिक्रिया स्थितियों और उच्च ऊर्जा-गहन (दुनिया भर में कुल ऊर्जा का 1-2% की खपत) के तहत भारी CO2 उत्सर्जन (सालाना ~ 420 माउंट CO2 जारी करता है) के तहत संचालित होता है। इस संदर्भ में, परिवेशी परिस्थितियों में इलेक्ट्रोकेमिकल अमोनिया संश्लेषण ने पर्यावरण-अनुकूल (सीओ2 का शून्य उत्सर्जन), कम ऊर्जा सेवन, परिवेश संचालन की स्थिति और पारंपरिक हैबर-बॉश प्रक्रिया पर लागत प्रभावी होने जैसे अपने फायदों के कारण बहुत ध्यान आकर्षित किया है। सीएसआईआर-एनआईआईएसटी में, हम ग्रीन अमोनिया और ग्रीन यूरिया संश्लेषण के लिए उपयुक्त इलेक्ट्रो-उत्प्रेरक विकसित करने पर ध्यान केंद्रित करते हैं।

प्रकाश उत्सर्जक डायोड

ऑर्गेनिक और हाइब्रिड एलईडी डिस्प्ले और प्रकाश अनुप्रयोगों के लिए प्रमुख दावेदार हैं। हालाँकि ये उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्र में कुछ प्रयास कर सकते हैं, लेकिन उच्च लागत के कारण बाजार में निरंतर और गहरी पैठ बाधित हो रही है। सामान्य तौर पर व्यावसायिक रूप से उपलब्ध फॉस्फोरसेंट ओएलईडी में एक जटिल बहुपरत संरचना होती है जिसमें महंगे दुर्लभ-पृथ्वी-आधारित उत्सर्जक शामिल होते हैं। इस प्रकार, प्रक्रिया की जटिलता और उत्सर्जक अणुओं की लागत मिलकर इन उत्पादों की उच्च लागत में योगदान करती है। सीएसआईआर-एनआईआईएसटी में, हम डिवाइस की जटिलता को कम करने और कार्बनिक और हाइब्रिड प्रकाश उत्सर्जक डायोड की दक्षता में सुधार करने के लिए नए डिवाइस डिजाइन और लाइट आउटकपलिंग तकनीकों पर काम करते हैं। हम विशेष रूप से एक्सिप्लेक्स-आधारित ओएलईडी, कॉपर हैलाइड-आधारित एलईडी और क्वांटम डॉट एलईडी पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं। एक और हालिया फोकस एनआईआर उत्सर्जक उपकरणों पर है जिनका उपयोग चिकित्सीय अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है।

कार्बनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर

ऑर्गेनिक एफईटी मुद्रित इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार का एक प्रमुख हिस्सा है और स्वास्थ्य सेवा क्षेत्र में उनके अनुमानित अनुप्रयोग उन्हें बहुत आकर्षक उम्मीदवार बनाते हैं। प्रारंभिक वर्षों में चार्ज वाहक गतिशीलता को बढ़ाना मुख्य फोकस हुआ करता था, लेकिन अब इन उपकरणों के साथ असंख्य अनुप्रयोगों की परिकल्पना की गई है। सीएसआईआर-एनआईआईएसटी में, हम सेमीकंडक्टर पतली फिल्मों की संरचना संपत्ति संबंध, गेट डाइइलेक्ट्रिक्स के विभिन्न गुणों और डिवाइस के प्रदर्शन पर उनके प्रभाव का अध्ययन करते हैं। अनुप्रयोग क्षेत्र में, हम कार्बनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर का उपयोग करके गैर-वाष्पशील मेमोरी, नैदानिक उपकरणों और गैस सेंसर में रुचि रखते हैं।

फोटोडिटेक्टर

फोटोडिटेक्टरों का ऑप्टिकल संचार, बायोमेडिकल इमेजिंग, नाइट विजन, मोशन डिटेक्शन आदि में कई अनुप्रयोग मिलते हैं। यूवी और आईआर डिटेक्टरों को विकसित करने की तत्काल आवश्यकता है, जबकि दृश्य प्रकाश का पता लगाना आमतौर पर उपलब्ध है। हमने यूवी का पता लगाने के लिए उच्च प्रतिक्रियाशीलता और पहचान क्षमता वाली डिवाइस संरचनाएं विकसित की हैं। इसके अलावा, हमने स्व-संचालित यूवी डिटेक्टरों का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया है। जैविक और अकार्बनिक दोनों उपकरणों का अध्ययन किया जा रहा है।