सूर्यप्रकाश से बिजली का सृजन: फोटोवोल्टेइक सेल की आंतरिक संरचना और कार्यपद्धति का गहन विज्ञान

हमारे आसपास दिखने वाले सोलर पैनल आज ऊर्जा का एक मुख्य स्रोत बन रहे हैं, लेकिन इसके पीछे का विज्ञान अत्यंत रोचक और जटिल है। जब सूर्य का प्रकाश किसी विशेष पदार्थ पर पड़ता है और उससे सीधे बिजली उत्पन्न होती है, तो उस प्रक्रिया को फोटोवोल्टिक इफेक्ट (photovoltaic effect) कहा जाता है। यह एक ऐसी भौतिक घटना है जिसमें अर्धचालक (semiconductor) पदार्थ प्रकाश के संपर्क में आने पर विद्युत ऊर्जा पैदा करते हैं। विकिपीडिया की रिपोर्ट के अनुसार, यह प्रभाव फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव से गहराई से जुड़ा हुआ है, लेकिन इसमें एक बुनियादी अंतर है।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव में जब प्रकाश पदार्थ पर पड़ता है, तो इलेक्ट्रॉन उस पदार्थ से बाहर निकल जाते हैं, जबकि फोटोवोल्टिक प्रभाव में उत्तेजित हुए चार्ज कैरियर्स (charge carriers) पदार्थ के भीतर ही रहते हैं। इस प्रक्रिया में प्रकाश के कण यानी फोटॉन (photon) पदार्थ में अवशोषित होते हैं और इलेक्ट्रॉनों को उच्च ऊर्जा स्तर पर ले जाते हैं। इसके परिणामस्वरूप पदार्थ में पोटेंशियल डिफरेंस (potential difference) यानी वोल्टेज पैदा होता है। यही वोल्टेज बिजली के प्रवाह को संचालित करने के लिए जिम्मेदार होता है।

फोटोवोल्टिक प्रभाव: प्रकाश का बिजली में रूपांतरण

फोटोवोल्टिक सेल की कार्यप्रणाली को समझने के लिए अर्धचालक पदार्थों के गुणों को समझना आवश्यक है। अधिकांश आधुनिक सोलर सेल सिलिकॉन (silicon) जैसे अर्धचालक पदार्थों से बने होते हैं। जब सूर्य का प्रकाश इन सेलों पर पड़ता है, तो उनके इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड (valence band) यानी परमाणु की सबसे बाहरी कक्षा से ऊर्जा प्राप्त करके कंडक्शन बैंड (conduction band) यानी मुक्त अवस्था में कूद जाते हैं। जब ये मुक्त इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होने लगते हैं, तो विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

इस प्रक्रिया में पी-एन जंक्शन (p–n junction) बहुत ही महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह एक ऐसा जोड़ है जहाँ दो अलग प्रकार के अर्धचालक पदार्थ मिलते हैं: एक जिसमें इलेक्ट्रॉनों की संख्या अधिक होती है (n-type) और दूसरा जिसमें इलेक्ट्रॉनों की कमी या 'होल्स' (holes) होते हैं (p-type)। इस जंक्शन पर एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनता है जो मुक्त हुए इलेक्ट्रॉनों को एक निश्चित दिशा में धकेलता है। सोर्स 1 के अनुसार, इस प्रक्रिया के कारण इलेक्ट्रोमोटिव फोर्स (electromotive force) उत्पन्न होता है और प्रकाश ऊर्जा का सीधे विद्युत ऊर्जा में रूपांतरण होता है।

इतिहास के पन्ने: बेकरेल से बेल लैब्स तक

फोटोवोल्टिक प्रभाव की खोज का इतिहास काफी पुराना है। सर्वप्रथम 1839 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी एडमंड बेकरेल ने मात्र 19 वर्ष की आयु में इस प्रभाव का प्रायोगिक प्रदर्शन किया था। उन्होंने देखा कि जब प्लैटिनम या सोने की प्लेटों को अम्लीय घोल में डुबोकर उन पर सूर्य का प्रकाश डाला जाता है, तो विद्युत धारा उत्पन्न होती है। हालांकि, उस समय यह खोज केवल प्रयोगशाला तक ही सीमित थी और इसकी कार्यक्षमता अत्यंत कम थी।

तत्पश्चात 1884 में चार्ल्स फ्रिट्स ने सेलेनियम और सोने की पतली परत का उपयोग करके पहला सोलर सेल बनाया था, परंतु उसकी कार्यक्षमता केवल 1% जितनी ही थी। आधुनिक सोलर सेल के विकास में 1905 में आल्बर्ट आइंस्टाइन द्वारा दिया गया प्रकाश का क्वांटम थ्योरी का मॉडल आधारभूत साबित हुआ, जिसके लिए उन्हें 1921 में नोबेल पुरस्कार मिला था। 1954 में बेल लेबोरेटरीज में केल्विन फुलर, डैरील चैपिन और गेराल्ड पियर्सन द्वारा पहले व्यावहारिक फोटोवोल्टिक सेल का प्रदर्शन किया गया था, जिसने इस तकनीक के व्यावसायिक उपयोग के द्वार खोले थे।

सेल से एरे तक: सोलर पैनल की संरचना

एक सिंगल सोलर सेल सामान्य तौर पर 0.5 से 0.6 वोल्ट जितना ही वोल्टेज पैदा कर सकता है। इसलिए, अधिक पावर प्राप्त करने के लिए अनेक सेल्स को एकसाथ जोड़ा जाता है। जब अनेक सेल्स को एक ही समतल में व्यवस्थित किया जाता है, तब उसे सोलर मॉड्यूल (module) या सोलर पैनल (panel) कहा जाता है। इन पैनलों में सेल्स को श्रेणी (series) में जोड़ने से वोल्टेज बढ़ता है, जबकि समांतर (parallel) जोड़ने से विद्युत प्रवाह यानी करंट बढ़ता है।

सोलर पैनल की बनावट में सुरक्षा का भी विशेष ध्यान रखा जाता है। पैनल के ऊपरी हिस्से पर कांच की एक परत होती है जो सूर्य के प्रकाश को अंदर आने देती है लेकिन अर्धचालक वेफर्स को पर्यावरण के प्रभावों से बचाती है। अक्सर पैनलों में बाईपास डायोड (bypass diodes) का उपयोग किया जाता है। ये डायोड्स ऐसे समय काम आते हैं जब पैनल का कोई हिस्सा छांव में होता है। वे छांव वाले सेल्स को पूरे सर्किट से अलग कर देते हैं ताकि पूरे पैनल की कार्यक्षमता घटे नहीं और सेल्स को नुकसान न पहुँचे।

अर्धचालक पदार्थों और सामग्री की विविधता

आज बाजार में उपलब्ध 95% सोलर सेल्स क्रिस्टलाइन सिलिकॉन (crystalline silicon) से बने होते हैं। सिलिकॉन प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है और उसकी कार्यक्षमता भी अच्छी है। हालांकि, तकनीक के विकास के साथ अन्य सामग्रियां भी उपयोग में आने लगी हैं। थिन-फिल्म (thin-film) तकनीक में कैडमियम टेल्यूराइड (CdTe) और कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड (CIGS) जैसी सामग्रियों का उपयोग होता है। यह तकनीक वजन में हल्की और लचीली होती है, हालांकि इसकी कार्यक्षमता सिलिकॉन से थोड़ी कम हो सकती है।

सोर्स 2 के अनुसार, सोलर सेल के आउटपुट पर तापमान, सामग्री के गुणधर्म, मौसम और सूर्य की किरणों की तीव्रता (irradiance) जैसी बातें असर करती हैं। उदाहरण के लिए, अत्यधिक तापमान सोलर सेल की कार्यक्षमता में कमी कर सकता है। इसीलिए सोलर पैनलों की डिज़ाइन इस तरह की जाती है कि वे गर्मी का अवशोषण कम करें और अधिक से अधिक प्रकाश को बिजली में बदलें। आधुनिक यूटिलिटी स्केल सिस्टम्स में लागत में भी बड़ी गिरावट देखने को मिली है, जो 2020 में घटकर प्रति वाट 0.94 डॉलर तक पहुँच गई थी।

अंतरिक्ष में सोलर तकनीक का विकास

सोलर सेल का सबसे महत्वपूर्ण और शुरुआती उपयोग अंतरिक्ष विज्ञान में हुआ था। १९५८ में वैनगार्ड (Vanguard) सैटेलाइट में पहली बार सोलर सेल का उपयोग किया गया था। बैटरी के विकल्प के रूप में सोलर सेल्स का उपयोग करने से सैटेलाइट की आयु काफी बढ़ गई। १९६० के दशक तक, सोलर सेल्स पृथ्वी के चारों ओर चक्कर लगाने वाले सैटेलाइट्स और अंतरिक्ष प्रोब्स के लिए ऊर्जा का मुख्य स्रोत बन गए थे, क्योंकि उनका पावर-टू-वेट रेश्यो (power-to-weight ratio) अन्य स्रोतों की तुलना में काफी बेहतर था।

अंतरिक्ष में उपयोग होने वाले सोलर सेल्स पृथ्वी पर उपयोग होने वाले सेल्स से अलग होते हैं। वहाँ गैलियम आर्सिनाइड (gallium arsenide) आधारित मल्टी-जंक्शन (multi-junction) सेल्स का उपयोग किया जाता है। इन सेल्स में अलग-अलग बैंडगैप (bandgap) वाले कई स्तर होते हैं, जो सूर्य के स्पेक्ट्रम के विभिन्न भागों से ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं। इससे उनकी कार्यक्षमता काफी बढ़ जाती है। आधुनिक सैटेलाइट्स में अब रोलेबल (rollable) सोलर एरेज़ का उपयोग किया जाता है, जो लॉन्चिंग के समय कम जगह घेरते हैं और अंतरिक्ष में जाकर खुल जाते हैं।

आधुनिक अनुसंधान: एसी पीवी और सोलर कार

पारंपरिक रूप से सोलर सेल्स डायरेक्ट करंट (DC) पैदा करते हैं, जिसे इन्वर्टर द्वारा अल्टरनेटिंग करंट (AC) में बदलना पड़ता है। हालांकि, २०१७ में जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के वैज्ञानिकों ने एसी फोटोवोल्टिक (AC PV) प्रभाव का प्रदर्शन किया था। इस तकनीक में जब प्रकाश एक निश्चित फ्रीक्वेंसी पर सेल पर पड़ता है, तब वह सीधा ही एसी करंट पैदा कर सकता है। यह अनुसंधान भविष्य में इन्वर्टर की आवश्यकता को कम कर सकता है और सिस्टम को अधिक सरल बना सकता है।

सोलर एनर्जी का उपयोग परिवहन में भी बढ़ रहा है। १९८७ में आयोजित पहली 'वर्ल्ड सोलर चैलेंज' में जनरल मोटर्स की सनराइज़र (Sunraycer) कार ने ४० मील प्रति घंटे की गति प्राप्त करके विजय प्राप्त की थी। सोलर कार में पैनलों द्वारा प्राप्त ऊर्जा का उपयोग सीधे मोटर चलाने या बैटरी चार्ज करने के लिए किया जाता है। हालाँकि सोलर कार अभी व्यावसायिक स्तर पर आम नहीं हुई है, लेकिन उस दिशा में हो रहे प्रयोग भविष्य के प्रदूषण मुक्त परिवहन के लिए आशाजनक हैं।

फोटोवोल्टिक तकनीक केवल बिजली उत्पन्न करने का साधन नहीं है, बल्कि यह भौतिकी और इंजीनियरिंग का एक अद्भुत संगम है। १९वीं शताब्दी के प्रयोगों से शुरू हुई यह यात्रा आज अंतरिक्ष के सैटेलाइट्स से लेकर हमारे घर की छत तक पहुँची है। जैसे-जैसे नई सामग्रियाँ और उत्पादन पद्धतियाँ विकसित होती जाएँगी, वैसे-वैसे सोलर एनर्जी अधिक सस्ती और कार्यक्षम बनती जाएगी, जो पृथ्वी पर ऊर्जा संकट का स्थायी समाधान ला सकती है।