फोटोवोल्टिक कोशिकाओं पर तरंग दैर्ध्य का प्रभाव

फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी अलेक्जेंड्रे एडमंड बेकरेल (1820-1891) द्वारा खोजे गए फोटोवोल्टिक प्रभाव के रूप में जानी जाने वाली घटना पर सौर कोशिकाएं निर्भर करती हैं। यह फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव से संबंधित है, एक घटना जिसके द्वारा इलेक्ट्रॉनों को एक संवाहक सामग्री से बाहर निकाल दिया जाता है जब उस पर प्रकाश चमकता है। अल्बर्ट आइंस्टीन (1879-1955) ने उस घटना की व्याख्या के लिए भौतिकी में 1921 का नोबेल पुरस्कार जीता, क्वांटम सिद्धांतों का उपयोग करते हुए जो उस समय नए थे। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के विपरीत, फोटोवोल्टिक प्रभाव दो अर्धचालक प्लेटों की सीमा पर होता है, न कि एक संवाहक प्लेट पर। जब प्रकाश चमकता है तो वास्तव में कोई इलेक्ट्रॉन नहीं निकलता है। इसके बजाय, वे वोल्टेज बनाने के लिए सीमा के साथ जमा होते हैं। जब आप दो प्लेटों को एक चालक तार से जोड़ते हैं, तो तार में एक धारा प्रवाहित होगी।

आइंस्टीन की महान उपलब्धि, और जिस कारण से उन्होंने नोबेल पुरस्कार जीता, वह यह पहचानना था कि इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा एक से बाहर निकलती है फोटोइलेक्ट्रिक प्लेट निर्भर करती है - प्रकाश की तीव्रता (आयाम) पर नहीं, जैसा कि तरंग सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी - लेकिन आवृत्ति पर, जो कि इसके विपरीत है तरंग दैर्ध्य। आपतित प्रकाश की तरंगदैर्घ्य जितनी कम होगी, प्रकाश की आवृत्ति उतनी ही अधिक होगी और उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों में उतनी ही अधिक ऊर्जा होगी। इसी तरह, फोटोवोल्टिक कोशिकाएं तरंग दैर्ध्य के प्रति संवेदनशील होती हैं और स्पेक्ट्रम के कुछ हिस्सों में दूसरों की तुलना में सूर्य के प्रकाश के लिए बेहतर प्रतिक्रिया करती हैं। यह समझने के लिए कि क्यों, यह आइंस्टाइन के प्रकाश-विद्युत प्रभाव की व्याख्या की समीक्षा करने में मदद करता है।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के आइंस्टीन के स्पष्टीकरण ने प्रकाश के क्वांटम मॉडल को स्थापित करने में मदद की। प्रत्येक प्रकाश बंडल, जिसे फोटॉन कहा जाता है, में कंपन की आवृत्ति द्वारा निर्धारित एक विशिष्ट ऊर्जा होती है। फोटॉन की ऊर्जा (ई) प्लैंक के नियम द्वारा दी गई है: ई = एचएफ, जहां एफ आवृत्ति है और एच प्लैंक स्थिरांक है (6.626 × 10 )⁻³⁴ जूल (सेकंड)। इस तथ्य के बावजूद कि एक फोटॉन में एक कण प्रकृति होती है, इसमें तरंग विशेषताएँ भी होती हैं, और किसी भी तरंग के लिए, इसकी आवृत्ति इसकी तरंग दैर्ध्य का पारस्परिक होता है (जिसे यहाँ w द्वारा दर्शाया गया है)। यदि प्रकाश की गति c है, तो f = c/w और प्लांक का नियम लिखा जा सकता है:

जब फोटॉन एक संवाहक सामग्री पर आपतित होते हैं, तो वे अलग-अलग परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों से टकराते हैं। यदि फोटॉन में पर्याप्त ऊर्जा होती है, तो वे सबसे बाहरी कोश में इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकाल देते हैं। ये इलेक्ट्रॉन तब सामग्री के माध्यम से प्रसारित करने के लिए स्वतंत्र होते हैं। घटना फोटॉन की ऊर्जा के आधार पर, उन्हें सामग्री से पूरी तरह से बाहर निकाला जा सकता है।

प्लैंक के नियम के अनुसार, आपतित फोटॉन की ऊर्जा उनके तरंग दैर्ध्य के व्युत्क्रमानुपाती होती है। लघु-तरंग दैर्ध्य विकिरण स्पेक्ट्रम के बैंगनी छोर पर कब्जा कर लेता है और इसमें पराबैंगनी विकिरण और गामा किरणें शामिल होती हैं। दूसरी ओर, लंबी-तरंग दैर्ध्य विकिरण लाल छोर पर रहती है और इसमें अवरक्त विकिरण, माइक्रोवेव और रेडियो तरंगें शामिल हैं।

सूर्य के प्रकाश में विकिरण का एक पूरा स्पेक्ट्रम होता है, लेकिन केवल कम तरंग दैर्ध्य वाला प्रकाश ही फोटोइलेक्ट्रिक या फोटोवोल्टिक प्रभाव पैदा करेगा। इसका मतलब है कि सौर स्पेक्ट्रम का एक हिस्सा बिजली पैदा करने के लिए उपयोगी है। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि प्रकाश कितना उज्ज्वल या मंद है। इसके लिए बस - कम से कम - सौर सेल तरंग दैर्ध्य होना चाहिए। उच्च-ऊर्जा पराबैंगनी विकिरण बादलों में प्रवेश कर सकते हैं, जिसका अर्थ है कि सौर कोशिकाओं को बादल के दिनों में कार्य करना चाहिए - और वे करते हैं।

एक फोटॉन में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने के लिए न्यूनतम ऊर्जा मान होना चाहिए ताकि वे अपने ऑर्बिटल्स से दस्तक दे सकें और उन्हें स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित कर सकें। एक संवाहक सामग्री में, इस न्यूनतम ऊर्जा को कार्य फलन कहा जाता है, और यह प्रत्येक संवाहक सामग्री के लिए भिन्न होता है। एक फोटॉन के साथ टकराने से जारी इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा फोटॉन की ऊर्जा के बराबर होती है जो कार्य फ़ंक्शन को घटाती है।

एक फोटोवोल्टिक सेल में, दो अलग-अलग अर्धचालक सामग्रियों को बनाने के लिए फ़्यूज़ किया जाता है जिसे भौतिक विज्ञानी पीएन-जंक्शन कहते हैं। व्यवहार में, इस जंक्शन को बनाने के लिए एक ही सामग्री, जैसे कि सिलिकॉन, और विभिन्न रसायनों के साथ डोप करना आम बात है। उदाहरण के लिए, एंटीमनी के साथ डोपिंग सिलिकॉन एन-टाइप सेमीकंडक्टर बनाता है, और बोरॉन के साथ डोपिंग पी-टाइप सेमीकंडक्टर बनाता है। इलेक्ट्रॉनों ने अपनी कक्षाओं से बाहर निकलकर पीएन-जंक्शन के पास इकट्ठा किया और इसके पार वोल्टेज बढ़ा दिया। एक इलेक्ट्रॉन को उसकी कक्षा से बाहर और चालन बैंड में दस्तक देने के लिए दहलीज ऊर्जा को बैंड गैप के रूप में जाना जाता है। यह कार्य फ़ंक्शन के समान है।

एक सौर सेल के पीएन-जंक्शन में विकसित होने वाले वोल्टेज के लिए। घटना विकिरण बैंड गैप ऊर्जा से अधिक होना चाहिए। यह विभिन्न सामग्रियों के लिए अलग है। यह सिलिकॉन के लिए 1.11 इलेक्ट्रॉन वोल्ट है, जो कि सौर कोशिकाओं के लिए सबसे अधिक बार उपयोग की जाने वाली सामग्री है। एक इलेक्ट्रॉन वोल्ट = 1.6 × 10^-19 जूल, इसलिए बैंड गैप एनर्जी 1.78 × 10. है^-19 जूल प्लैंक के समीकरण को पुनर्व्यवस्थित करना और तरंग दैर्ध्य के लिए हल करना आपको प्रकाश की तरंग दैर्ध्य बताता है जो इस ऊर्जा से मेल खाती है:

दृश्य प्रकाश की तरंग दैर्ध्य 400 और 700 एनएम के बीच होती है, इसलिए सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के लिए बैंडविड्थ तरंग दैर्ध्य बहुत निकट अवरक्त सीमा में है। माइक्रोवेव और रेडियो तरंगों जैसे लंबी तरंग दैर्ध्य वाले किसी भी विकिरण में सौर सेल से बिजली पैदा करने के लिए ऊर्जा की कमी होती है।

1.11 eV से अधिक ऊर्जा वाला कोई भी फोटान एक सिलिकॉन परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन को हटा सकता है और उसे चालन बैंड में भेज सकता है। व्यवहार में, हालांकि, बहुत कम तरंग दैर्ध्य फोटॉन (लगभग 3 eV से अधिक की ऊर्जा के साथ) इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड से बाहर भेजते हैं और उन्हें काम करने के लिए अनुपलब्ध बनाते हैं। सौर पैनलों में फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव से उपयोगी कार्य प्राप्त करने के लिए ऊपरी तरंग दैर्ध्य सीमा निर्भर करती है सौर सेल की संरचना पर, इसके निर्माण में प्रयुक्त सामग्री और सर्किट विशेषताएँ।

संक्षेप में, पीवी कोशिकाएं पूरे स्पेक्ट्रम से प्रकाश के प्रति संवेदनशील होती हैं, जब तक कि तरंग दैर्ध्य सेल के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री के बैंड गैप से ऊपर हो, लेकिन अत्यंत कम तरंग दैर्ध्य प्रकाश बर्बाद हो जाता है। यह सौर सेल दक्षता को प्रभावित करने वाले कारकों में से एक है। दूसरा अर्धचालक सामग्री की मोटाई है। यदि फोटॉन को सामग्री के माध्यम से एक लंबा सफर तय करना पड़ता है, तो वे अन्य कणों के साथ टकराव के माध्यम से ऊर्जा खो देते हैं और इलेक्ट्रॉन को हटाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं हो सकती है।

दक्षता को प्रभावित करने वाला तीसरा कारक सौर सेल की परावर्तनशीलता है। आपतित प्रकाश का एक निश्चित अंश बिना इलेक्ट्रॉन का सामना किए कोशिका की सतह से उछलता है। परावर्तन से होने वाले नुकसान को कम करने और दक्षता बढ़ाने के लिए, सौर सेल निर्माता आमतौर पर कोशिकाओं को एक गैर-चिंतनशील, प्रकाश-अवशोषित सामग्री के साथ कवर करते हैं। यही कारण है कि सौर सेल आमतौर पर काले होते हैं।