स्रोत: www.energy.gov
जब प्रकाश एक फोटोवोल्टिक (पीवी) सेल पर चमकता है - जिसे सौर कोशिका भी कहा जाता है - कि प्रकाश कोशिका के माध्यम से प्रतिबिंबित, अवशोषित या सही हो सकता है। पीवी सेल सेमीकंडक्टर सामग्री से बना है; "अर्ध" का मतलब है कि यह बिजली का संचालन एक इंसुलेटर से बेहतर है लेकिन साथ ही एक धातु की तरह एक अच्छा कंडक्टर कर सकते हैं । पीवी कोशिकाओं में उपयोग की जाने वाले कई अलग-अलग अर्धचालक सामग्री हैं।
जब सेमीकंडक्टर प्रकाश के संपर्क में आता है, तो यह प्रकाश की ऊर्जा को अवशोषित कर लेता है और इसे इलेक्ट्रॉन नामक सामग्री में नकारात्मक आवेशित कणों में स्थानांतरित कर देता है। यह अतिरिक्त ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों को विद्युत प्रवाह के रूप में सामग्री के माध्यम से प्रवाहित करने की अनुमति देती है। इस धारा प्रवाहकीय धातु संपर्कों के माध्यम से निकाला जाता है - एक सौर कोशिकाओं पर ग्रिड की तरह लाइनों - और फिर अपने घर और बिजली ग्रिड के बाकी बिजली के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
पीवी सेल की दक्षता केवल उस पर चमकने वाली रोशनी से ऊर्जा की तुलना में कोशिका से बाहर आने वाली विद्युत शक्ति की मात्रा है, जो इंगित करती है कि कोशिका ऊर्जा को एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित करने में कितनी प्रभावी है। पीवी कोशिकाओं से उत्पादित बिजली की मात्रा उपलब्ध प्रकाश की विशेषताओं (जैसे तीव्रता और तरंगदैर्ध्य) और कोशिका के कई प्रदर्शन विशेषताओं पर निर्भर करती है।
पीवी सेमीकंडक्टर्स की एक महत्वपूर्ण संपत्ति बैंडगैप है, जो इंगित करता है कि सामग्री को अवशोषित और विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित कर सकते हैं प्रकाश की तरंगदैर्ध्य क्या है। यदि सेमीकंडक्टर का बैंडगैप पीवी सेल पर चमकते प्रकाश की तरंगदैर्ध्य से मेल खाता है, तो वह कोशिका सभी उपलब्ध ऊर्जा का कुशलतापूर्वक उपयोग कर सकती है।
पीवी कोशिकाओं के लिए सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली अर्धचालक सामग्रियों के बारे में नीचे जानें।
सिलिकॉन
सिलिकॉन, अब तक, सौर कोशिकाओं में उपयोग की जाने वाली सबसे आम अर्धचालक सामग्री है, जो आज बेचे गए मॉड्यूल के लगभग 95% का प्रतिनिधित्व करती है। यह पृथ्वी पर दूसरी सबसे प्रचुर मात्रा में सामग्री (ऑक्सीजन के बाद) और कंप्यूटर चिप्स में उपयोग किया जाने वाला सबसे आम अर्धचालक भी है। क्रिस्टलीय सिलिकॉन कोशिकाएं क्रिस्टल जाली बनाने के लिए एक-दूसरे से जुड़े सिलिकॉन परमाणुओं से बनी होती हैं। यह जाली एक संगठित संरचना प्रदान करती है जो प्रकाश को बिजली में अधिक कुशल बनाती है।
सिलिकॉन से बनी सौर कोशिकाएं वर्तमान में उच्च दक्षता, कम लागत और लंबे जीवनकाल का संयोजन प्रदान करती हैं। मॉड्यूल 25 साल या उससे अधिक के लिए पिछले करने की उम्मीद कर रहे हैं, अभी भी इस समय के बाद अपनी मूल शक्ति का 80% से अधिक उत्पादन.
पतली फिल्म फोटोवोल्टिक्स
कांच, प्लास्टिक या धातु जैसी सहायक सामग्री पर पीवी सामग्री की एक या अधिक पतली परतों को जमा करके एक पतली फिल्म सौर सेल बनाई जाती है। आज बाजार पर पतली फिल्म पीवी सेमीकंडक्टर के दो मुख्य प्रकार हैं: कैडमियम टेल्यूराइड (सीडीटीई) और कॉपर इंडियम गैलियम डिसलेनाइड (सीआईजीएस)। दोनों सामग्रियों को सीधे मॉड्यूल सतह के सामने या पीछे जमा किया जा सकता है।
CdTe सिलिकॉन के बाद दूसरी सबसे आम पीवी सामग्री है, और सीडीटी कोशिकाओं को कम लागत वाली विनिर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाया जा सकता है। हालांकि यह उन्हें एक लागत प्रभावी विकल्प बनाता है, उनकी क्षमता अभी भी सिलिकॉन के रूप में काफी अधिक नहीं है । सीआईजीएस कोशिकाओं में प्रयोगशाला में पीवी सामग्री और उच्च क्षमता के लिए इष्टतम गुण होते हैं, लेकिन चार तत्वों के संयोजन में शामिल जटिलता प्रयोगशाला से विनिर्माण के लिए संक्रमण को अधिक चुनौतीपूर्ण बनाती है। सीडीटीई और सीआईजीएस दोनों को लंबे समय तक चलने वाले ऑपरेशन को सड़क पर सक्षम करने के लिए सिलिकॉन की तुलना में अधिक सुरक्षा की आवश्यकता होती है।
पेरोवस्काइट फोटोवोल्टिक्स
पेरोवस्काइट सौर कोशिकाएं एक प्रकार की पतली फिल्म कोशिका हैं और उनकी विशेषता क्रिस्टल संरचना के नाम पर हैं। पेरोवस्काइट कोशिकाओं को उन सामग्रियों की परतों के साथ बनाया जाता है जो मुद्रित, लेपित या वैक्यूम-जमा होते हैं, जो अंतर्निहित समर्थन परत पर जमा होते हैं, जिसे के रूप में जाना जाता हैसब्सट्रेट।वे आम तौर पर इकट्ठा करने के लिए आसान कर रहे हैं और क्रिस्टलीय सिलिकॉन के समान क्षमता तक पहुंच सकते हैं। प्रयोगशाला में, पेरोवस्काइट सौर सेल क्षमता में किसी भी अन्य पीवी सामग्री की तुलना में तेजी से सुधार हुआ है, 2009 में 3% से 2020 में 25% से अधिक। व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य होने के लिए, पेरोवस्काइट पीवी कोशिकाओं को 20 साल सड़क पर जीवित रहने के लिए पर्याप्त स्थिर हो जाना पड़ता है, इसलिए शोधकर्ता उन्हें अधिक टिकाऊ बनाने और बड़े पैमाने पर, कम लागत वाली विनिर्माण तकनीकों को विकसित करने पर काम कर रहे हैं।
ऑर्गेनिक फोटोवोल्टैक्स
ऑर्गेनिक पीवी, या ओपीवी, कोशिकाएं कार्बन-समृद्ध (कार्बनिक) यौगिकों से बनी होती हैं और पीवी सेल के एक विशिष्ट कार्य को बढ़ाने के लिए सिलवाया जा सकता है, जैसे बैंडगैप, पारदर्शिता या रंग। OPV कोशिकाओं वर्तमान में क्रिस्टलीय सिलिकॉन कोशिकाओं के रूप में कुशल के रूप में केवल के बारे में आधे रहे है और कम ऑपरेटिंग जीवन काल है, लेकिन कम उच्च मात्रा में निर्माण महंगा हो सकता है । उन्हें विभिन्न प्रकार की सहायक सामग्रियों पर भी लागू किया जा सकता है, जैसे लचीला प्लास्टिक, ओपीवी विभिन्न प्रकार के उपयोगों को पूरा करने में सक्षम बनाता है।
क्वांटम डॉट्स
क्वांटम डॉट सौर कोशिकाएं विभिन्न अर्धचालक सामग्रियों के छोटे कणों के माध्यम से बिजली का संचालन करती हैं, जिन्हें क्वांटम डॉट्स कहा जाता है। क्वांटम डॉट्स सेमीकंडक्टर सामग्री को संसाधित करने का एक नया तरीका प्रदान करते हैं, लेकिन उनके बीच एक विद्युत कनेक्शन बनाना मुश्किल है, इसलिए वे वर्तमान में बहुत कुशल नहीं हैं। हालांकि, वे सौर कोशिकाओं में बनाने के लिए आसान कर रहे हैं। उन्हें स्पिन-कोट विधि, स्प्रे, या रोल-टू-रोल प्रिंटर का उपयोग करके एक सब्सट्रेट पर जमा किया जा सकता है जैसे कि समाचार पत्र प्रिंट करने के लिए उपयोग किए जाते हैं।
क्वांटम डॉट्स विभिन्न आकारों में आते हैं और उनके बैंडगैप अनुकूलन योग्य हैं, जिससे वे प्रकाश एकत्र करने में सक्षम होते हैं जिसे कैप्चर करना मुश्किल होता है और पेरोवस्काइट्स जैसे अन्य अर्धचालकों के साथ जोड़ा जाता है, ताकि मल्टीजंक्शन सौर सेल (नीचे दिए गए लोगों पर अधिक) के प्रदर्शन को अनुकूलित किया जा सके।
मल्टीजंक्शन फोटोवोल्टिक्स
पीवी सेल दक्षता में सुधार करने के लिए एक और रणनीति मल्टीजंक्शन सौर कोशिकाओं को बनाने के लिए कई अर्धचालकों को लेयर कर रही है। ये कोशिकाएं अनिवार्य रूप से विभिन्न अर्धचालक सामग्रियों के ढेर हैं, जैसा कि एकल-जंक्शन कोशिकाओं के विपरीत है, जिनमें केवल एक अर्धचालक है। प्रत्येक परत में एक अलग बैंडगैप होता है, इसलिए वे प्रत्येक सौर स्पेक्ट्रम के एक अलग हिस्से को अवशोषित करते हैं, जिससे एकल-जंक्शन कोशिकाओं की तुलना में सूर्य के प्रकाश का अधिक उपयोग होता है। मल्टीजंक्शन सौर कोशिकाएं रिकॉर्ड दक्षता स्तर तक पहुंच सकती हैं क्योंकि प्रकाश जो पहली अर्धचालक परत द्वारा अवशोषित नहीं होता है, उसके नीचे एक परत द्वारा कब्जा कर लिया जाता है।
जबकि एक से अधिक बैंडगैप वाले सभी सौर कोशिकाएं मल्टीजंक्शन सौर कोशिकाएं हैं, वास्तव में दो बैंडगैप वाले सौर सेल को एक टैंडेम सौर सेल कहा जाता है। मल्टीजंक्शन सौर कोशिकाएं जो आवधिक तालिका में कॉलम III और V से अर्धचालकों को जोड़ती हैं, उन्हें मल्टीजंक्शन III-V सौर कोशिकाएं कहा जाता है।
मल्टीजंक्शन सौर कोशिकाओं ने 45% से अधिक क्षमता का प्रदर्शन किया है, लेकिन वे महंगे हैं और निर्माण करना मुश्किल हैं, इसलिए वे अंतरिक्ष अन्वेषण के लिए आरक्षित हैं। सेना ड्रोन में III-V सौर कोशिकाओं का उपयोग कर रही है, और शोधकर्ता उनके लिए अन्य उपयोगों की खोज कर रहे हैं जहां उच्च दक्षता महत्वपूर्ण है ।
एकाग्रता फोटोवोल्टिक्स
एकाग्रता पीवी, जिसे सीपीवी के नाम से भी जाना जाता है, दर्पण या लेंस का उपयोग करके सौर कोशिका पर सूर्य के प्रकाश को केंद्रित करता है। एक छोटे से क्षेत्र पर सूरज की रोशनी ध्यान केंद्रित करके, कम पीवी सामग्री की आवश्यकता है। पीवी सामग्री अधिक कुशल हो जाती है क्योंकि प्रकाश अधिक केंद्रित हो जाता है, इसलिए सीपीवी कोशिकाओं और मॉड्यूल के साथ उच्चतम समग्र क्षमता प्राप्त की जाती है। हालांकि, अधिक महंगी सामग्री, विनिर्माण तकनीक, और सूर्य के आंदोलन को ट्रैक करने की क्षमता की आवश्यकता है, इसलिए आज के उच्च मात्रा वाले सिलिकॉन मॉड्यूल पर आवश्यक लागत लाभ का प्रदर्शन करना चुनौतीपूर्ण हो गया है।
