સૂર્યપ્રકાશમાંથી વીજળીનું સર્જન: ફોટોવોલ્ટેઇક સેલની આંતરિક રચના અને કાર્યપદ્ધતિનું ઊંડું વિજ્ઞાન
સોલર પેનલ કેવી રીતે કામ કરે છે? અર્ધવાહક પદાર્થો અને પ્રકાશના કણો વચ્ચેની આંતરક્રિયાથી વીજળી ઉત્પન્ન થવાની પ્રક્રિયાની ઊંડી સમજૂતી.
આપણી આસપાસ દેખાતી સોલર પેનલ્સ આજે ઉર્જાનો એક મુખ્ય સ્ત્રોત બની રહી છે, પરંતુ તેની પાછળનું વિજ્ઞાન અત્યંત રસપ્રદ અને જટિલ છે. સૂર્યપ્રકાશ જ્યારે કોઈ ખાસ પદાર્થ પર પડે છે અને તેમાંથી સીધી વીજળી ઉત્પન્ન થાય છે, ત્યારે તે પ્રક્રિયાને ફોટોવોલ્ટેઇક અસર (photovoltaic effect) કહેવામાં આવે છે. આ એક એવી ભૌતિક ઘટના છે જેમાં અર્ધવાહક (semiconductor) પદાર્થ પ્રકાશના સંપર્કમાં આવતા વિદ્યુત ઉર્જા પેદા કરે છે. વિકિપીડિયાના અહેવાલ મુજબ, આ અસર ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર સાથે ગાઢ રીતે જોડાયેલી છે, પરંતુ તેમાં એક પાયાનો તફાવત છે.
ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસરમાં જ્યારે પ્રકાશ પદાર્થ પર પડે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન તે પદાર્થમાંથી બહાર ફેંકાઈ જાય છે, જ્યારે ફોટોવોલ્ટેઇક અસરમાં ઉત્તેજિત થયેલા ચાર્જ કેરિયર્સ (charge carriers) પદાર્થની અંદર જ રહે છે. આ પ્રક્રિયામાં પ્રકાશના કણો એટલે કે ફોટોન (photon) પદાર્થમાં શોષાય છે અને ઇલેક્ટ્રોનને ઉચ્ચ ઉર્જા સ્તર પર લઈ જાય છે. આના પરિણામે પદાર્થમાં પોટેન્શિયલ ડિફરન્સ (potential difference) એટલે કે વોલ્ટેજ પેદા થાય છે. આ વોલ્ટેજ જ વીજળીના પ્રવાહને વહેવડાવવા માટે જવાબદાર હોય છે.
- પ્રકાશનું શોષણસૂર્યપ્રકાશના ફોટોન સોલર સેલના અર્ધવાહક પદાર્થમાં શોષાય છે અને ઇલેક્ટ્રોનને ઉર્જા આપે છે.
- ચાર્જ કેરિયર્સનું સર્જનઉર્જા મેળવીને ઇલેક્ટ્રોન મુક્ત થાય છે અને તેની જગ્યાએ 'હોલ્સ' બનાવે છે, જેને એક્સાઇટોન કહેવાય છે.
- ચાર્જનું વિભાજનપી-એન જંકશનનું આંતરિક વિદ્યુત ક્ષેત્ર ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ્સને વિરુદ્ધ દિશામાં ધકેલે છે.
- વીજ પ્રવાહનું વહનમુક્ત થયેલા ઇલેક્ટ્રોન બાહ્ય સર્કિટ દ્વારા વહે છે, જેનાથી ડાયરેક્ટ કરંટ (DC) ઉત્પન્ન થાય છે.
ફોટોવોલ્ટેઇક અસર: પ્રકાશનું વીજળીમાં રૂપાંતર
ફોટોવોલ્ટેઇક સેલની કાર્યપદ્ધતિ સમજવા માટે અર્ધવાહક પદાર્થોના ગુણધર્મો સમજવા જરૂરી છે. મોટાભાગના આધુનિક સોલર સેલ સિલિકોન (silicon) જેવા અર્ધવાહક પદાર્થોમાંથી બનેલા હોય છે. જ્યારે સૂર્યપ્રકાશ આ સેલ પર પડે છે, ત્યારે તેના ઇલેક્ટ્રોન વેલેન્સ બેન્ડ (valence band) એટલે કે અણુના સૌથી બહારના ભ્રમણકક્ષામાંથી ઉર્જા મેળવીને કન્ડક્શન બેન્ડ (conduction band) એટલે કે મુક્ત અવસ્થામાં કૂદકો મારે છે. આ મુક્ત થયેલા ઇલેક્ટ્રોન જ્યારે વહેવા લાગે છે, ત્યારે વિદ્યુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે.
આ પ્રક્રિયામાં પી-એન જંકશન (p–n junction) ખૂબ જ મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે. આ એક એવું જોડાણ છે જ્યાં બે અલગ પ્રકારના અર્ધવાહક પદાર્થો મળે છે: એક જેમાં ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા વધુ હોય છે (n-type) અને બીજો જેમાં ઇલેક્ટ્રોનની અછત અથવા 'હોલ્સ' (holes) હોય છે (p-type). આ જંકશન પર એક આંતરિક વિદ્યુત ક્ષેત્ર બને છે જે મુક્ત થયેલા ઇલેક્ટ્રોનને એક ચોક્કસ દિશામાં ધકેલે છે. સોર્સ ૧ મુજબ, આ પ્રક્રિયાને કારણે ઇલેક્ટ્રોમોટિવ ફોર્સ (electromotive force) ઉત્પન્ન થાય છે અને પ્રકાશ ઉર્જાનું સીધું જ વિદ્યુત ઉર્જામાં રૂપાંતર થાય છે.
| ટેકનોલોજીનો પ્રકાર | મુખ્ય સામગ્રી | બજાર હિસ્સો | મુખ્ય ઉપયોગ |
|---|---|---|---|
| ક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન | સિલિકોન (Si) | ૯૫% | ઘરગથ્થુ અને વ્યાપારી પેનલ્સ |
| થીન-ફિલ્મ CdTe | કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ | ગૌણ | મોટા પાયાના સોલર ફાર્મ |
| મલ્ટી-જંકશન | ગેલિયમ આર્સેનાઇડ | ખૂબ ઓછો | સેટેલાઇટ અને અંતરિક્ષ મિશન |
| થીન-ફિલ્મ CIGS | કોપર ઇન્ડિયમ ગેલિયમ | ગૌણ | લવચીક સોલર એપ્લિકેશન્સ |
ઇતિહાસના પાના: બેકરેલથી બેલ લેબ્સ સુધી
ફોટોવોલ્ટેઇક અસરની શોધનો ઇતિહાસ ઘણો જૂનો છે. સૌપ્રથમ ૧૮૩૯માં ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી એડમન્ડ બેકરેલે માત્ર ૧૯ વર્ષની ઉંમરે આ અસરનું પ્રાયોગિક નિદર્શન કર્યું હતું. તેમણે જોયું કે જ્યારે પ્લેટિનમ અથવા સોનાની પ્લેટોને એસિડિક દ્રાવણમાં ડૂબાડીને તેના પર સૂર્યપ્રકાશ પાડવામાં આવે છે, ત્યારે વિદ્યુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે. જોકે, તે સમયે આ શોધ માત્ર પ્રયોગશાળા પૂરતી મર્યાદિત હતી અને તેની કાર્યક્ષમતા અત્યંત ઓછી હતી.
ત્યારબાદ ૧૮૮૪માં ચાર્લ્સ ફ્રિટ્સે સેલેનિયમ અને સોનાના પાતળા પડનો ઉપયોગ કરીને પ્રથમ સોલર સેલ બનાવ્યો હતો, પરંતુ તેની કાર્યક્ષમતા માત્ર ૧% જેટલી જ હતી. આધુનિક સોલર સેલના વિકાસમાં ૧૯૦૫માં આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈને આપેલું પ્રકાશનું ક્વોન્ટમ થિયરીનું મોડેલ પાયારૂપ સાબિત થયું, જેના માટે તેમને ૧૯૨૧માં નોબેલ પુરસ્કાર મળ્યો હતો. ૧૯૫૪માં બેલ લેબોરેટરીઝમાં કેલ્વિન ફુલર, ડેરીલ ચેપિન અને ગેરાલ્ડ પિયરસન દ્વારા પ્રથમ વ્યવહારુ ફોટોવોલ્ટેઇક સેલનું પ્રદર્શન કરવામાં આવ્યું હતું, જેણે આ ટેકનોલોજીના વ્યાપારી ઉપયોગના દ્વાર ખોલ્યા હતા.
સેલથી એરે સુધી: સોલર પેનલનું માળખું
એક સિંગલ સોલર સેલ સામાન્ય રીતે ૦.૫ થી ૦.૬ વોલ્ટ જેટલો જ વોલ્ટેજ પેદા કરી શકે છે. આથી, વધુ પાવર મેળવવા માટે અનેક સેલ્સને એકસાથે જોડવામાં આવે છે. જ્યારે અનેક સેલ્સને એક જ સમતલમાં ગોઠવવામાં આવે છે, ત્યારે તેને સોલર મોડ્યુલ (module) અથવા સોલર પેનલ (panel) કહેવામાં આવે છે. આ પેનલ્સમાં સેલ્સને શ્રેણી (series) માં જોડવાથી વોલ્ટેજ વધે છે, જ્યારે સમાંતર (parallel) જોડવાથી વિદ્યુત પ્રવાહ એટલે કે કરંટ વધે છે.
સોલર પેનલની બનાવટમાં સુરક્ષાનું પણ વિશેષ ધ્યાન રાખવામાં આવે છે. પેનલની ઉપરની બાજુએ કાચનું એક પડ હોય છે જે સૂર્યપ્રકાશને અંદર આવવા દે છે પરંતુ અર્ધવાહક વેફર્સને પર્યાવરણની અસરોથી બચાવે છે. ઘણીવાર પેનલ્સમાં બાયપાસ ડાયોડ (bypass diodes) નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ ડાયોડ્સ એવા સમયે કામ લાગે છે જ્યારે પેનલનો કોઈ ભાગ છાયડામાં હોય. તે છાયડાવાળા સેલ્સને આખા સર્કિટમાંથી અલગ કરી દે છે જેથી આખી પેનલની કાર્યક્ષમતા ઘટે નહીં અને સેલ્સને નુકસાન ન થાય.
અર્ધવાહક પદાર્થો અને સામગ્રીની વિવિધતા
આજે બજારમાં ઉપલબ્ધ ૯૫% સોલર સેલ્સ ક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન (crystalline silicon) માંથી બનેલા હોય છે. સિલિકોન વિપુલ પ્રમાણમાં ઉપલબ્ધ છે અને તેની કાર્યક્ષમતા પણ સારી છે. જોકે, ટેકનોલોજીના વિકાસ સાથે અન્ય સામગ્રીઓ પણ વપરાવા લાગી છે. થીન-ફિલ્મ (thin-film) ટેકનોલોજીમાં કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ (CdTe) અને કોપર ઇન્ડિયમ ગેલિયમ સેલેનાઇડ (CIGS) જેવી સામગ્રીનો ઉપયોગ થાય છે. આ ટેકનોલોજી વજનમાં હલકી અને લવચીક હોય છે, જોકે તેની કાર્યક્ષમતા સિલિકોન કરતા થોડી ઓછી હોઈ શકે છે.
સોર્સ ૨ મુજબ, સોલર સેલના આઉટપુટ પર તાપમાન, સામગ્રીના ગુણધર્મો, હવામાન અને સૂર્યના કિરણોની તીવ્રતા (irradiance) જેવી બાબતો અસર કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, વધુ પડતું તાપમાન સોલર સેલની કાર્યક્ષમતામાં ઘટાડો કરી શકે છે. આથી જ સોલર પેનલ્સની ડિઝાઇન એવી રીતે કરવામાં આવે છે કે તે ગરમીનું શોષણ ઓછું કરે અને વધુમાં વધુ પ્રકાશને વીજળીમાં ફેરવે. આધુનિક યુટિલિટી સ્કેલ સિસ્ટમ્સમાં ખર્ચમાં પણ મોટો ઘટાડો જોવા મળ્યો છે, જે ૨૦૨૦માં ઘટીને વોટ દીઠ ૦.૯૪ ડોલર સુધી પહોંચી ગયો હતો.
અંતરિક્ષમાં સોલર ટેકનોલોજીનો વિકાસ
સોલર સેલનો સૌથી મહત્વનો અને પ્રારંભિક ઉપયોગ અંતરિક્ષ વિજ્ઞાનમાં થયો હતો. ૧૯૫૮માં વેનગાર્ડ (Vanguard) સેટેલાઇટમાં પ્રથમ વખત સોલર સેલનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. બેટરીના વિકલ્પ તરીકે સોલર સેલ્સનો ઉપયોગ કરવાથી સેટેલાઇટનું આયુષ્ય ઘણું વધી ગયું. ૧૯૬૦ના દાયકા સુધીમાં, સોલર સેલ્સ પૃથ્વીની આસપાસ ફરતા સેટેલાઇટ્સ અને અવકાશ પ્રોબ્સ માટે ઉર્જાનો મુખ્ય સ્ત્રોત બની ગયા હતા, કારણ કે તેમનો પાવર-ટુ-વેઇટ રેશિયો (power-to-weight ratio) અન્ય સ્ત્રોતો કરતા ઘણો સારો હતો.
અંતરિક્ષમાં વપરાતા સોલર સેલ્સ પૃથ્વી પર વપરાતા સેલ્સ કરતા અલગ હોય છે. ત્યાં ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (gallium arsenide) આધારિત મલ્ટી-જંકશન (multi-junction) સેલ્સનો ઉપયોગ થાય છે. આ સેલ્સમાં અલગ-અલગ બેન્ડગેપ (bandgap) ધરાવતા અનેક પડ હોય છે, જે સૂર્યના સ્પેક્ટ્રમના વિવિધ ભાગોમાંથી ઉર્જા મેળવી શકે છે. આનાથી તેમની કાર્યક્ષમતા ઘણી વધી જાય છે. આધુનિક સેટેલાઇટ્સમાં હવે રોલેબલ (rollable) સોલર એરેઝનો ઉપયોગ થાય છે, જે લોન્ચિંગ સમયે ઓછી જગ્યા રોકે છે અને અંતરિક્ષમાં જઈને ખુલી જાય છે.
આધુનિક સંશોધનો: એસી પીવી અને સોલર કાર
પરંપરાગત રીતે સોલર સેલ્સ ડાયરેક્ટ કરંટ (DC) પેદા કરે છે, જેને ઇન્વર્ટર દ્વારા અલ્ટરનેટિંગ કરંટ (AC) માં ફેરવવો પડે છે. જોકે, ૨૦૧૭માં જ્યોર્જિયા ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજીના વૈજ્ઞાનિકોએ એસી ફોટોવોલ્ટેઇક (AC PV) અસરનું નિદર્શન કર્યું હતું. આ ટેકનોલોજીમાં જ્યારે પ્રકાશ ચોક્કસ ફ્રીક્વન્સી પર સેલ પર પડે છે, ત્યારે તે સીધો જ એસી કરંટ પેદા કરી શકે છે. આ સંશોધન ભવિષ્યમાં ઇન્વર્ટરની જરૂરિયાત ઘટાડી શકે છે અને સિસ્ટમને વધુ સરળ બનાવી શકે છે.
સોલર એનર્જીનો ઉપયોગ વાહનવ્યવહારમાં પણ વધી રહ્યો છે. ૧૯૮૭માં યોજાયેલી પ્રથમ 'વર્લ્ડ સોલર ચેલેન્જ'માં જનરલ મોટર્સની સનરાઇઝર (Sunraycer) કારે ૪૦ માઇલ પ્રતિ કલાકની ઝડપ મેળવીને વિજય મેળવ્યો હતો. સોલર કારમાં પેનલ્સ દ્વારા મેળવેલી ઉર્જાનો ઉપયોગ સીધો મોટર ચલાવવા અથવા બેટરી ચાર્જ કરવા માટે થાય છે. જોકે સોલર કાર હજુ વ્યાપારી ધોરણે સામાન્ય બની નથી, પરંતુ તે દિશામાં થઈ રહેલા પ્રયોગો ભવિષ્યના પ્રદૂષણ મુક્ત પરિવહન માટે આશાસ્પદ છે.
ફોટોવોલ્ટેઇક ટેકનોલોજી માત્ર વીજળી ઉત્પન્ન કરવાનું સાધન નથી, પરંતુ તે ભૌતિકશાસ્ત્ર અને એન્જિનિયરિંગનો એક અદભૂત સંગમ છે. ૧૯મી સદીના પ્રયોગોથી શરૂ થયેલી આ સફર આજે અંતરિક્ષના સેટેલાઇટ્સથી લઈને આપણા ઘરની છત સુધી પહોંચી છે. જેમ જેમ નવી સામગ્રીઓ અને ઉત્પાદન પદ્ધતિઓ વિકસતી જશે, તેમ તેમ સોલર એનર્જી વધુ સસ્તી અને કાર્યક્ષમ બનતી જશે, જે પૃથ્વી પરના ઉર્જા સંકટનો કાયમી ઉકેલ લાવી શકે છે.
