सौर पैनलों के लिए फोटोवोल्टिक कोशिकाओं का उत्पादन

किसी भी फोटोवोल्टिक संस्थापन का आधार हमेशा एक फोटोवोल्टिक मॉड्यूल होता है। एक फोटोवोल्टिक मॉड्यूल एक साथ विद्युत रूप से जुड़े फोटोवोल्टिक कोशिकाओं का एक संयोजन है। फोटोवोल्टिक शब्द में दो शब्द हैं «फोटो» (ग्रीक से। प्रकाश) और «वोल्ट» (एलेसेंड्रो वोल्टा - 1745-1827, इतालवी भौतिक विज्ञानी) - इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में वोल्टेज के लिए माप की एक इकाई। फोटोवोल्टिक शब्द का विश्लेषण करते हुए, हम कह सकते हैं - यह है प्रकाश को बिजली में परिवर्तित करना.

सौर विकिरण को परिवर्तित करके बिजली उत्पन्न करने के लिए एक फोटोवोल्टिक सेल (सौर सेल) का उपयोग किया जाता है। एक फोटोसेल को एन-टाइप और पी-टाइप सेमीकंडक्टर्स से बना एक डायोड के रूप में माना जा सकता है, जिसमें वाहक-क्षीण क्षेत्र का गठन होता है, इसलिए एक अप्रकाशित फोटोकेल एक डायोड की तरह होता है और इसे डायोड के रूप में वर्णित किया जा सकता है।

1 और 3 eV के बीच की चौड़ाई वाले अर्धचालकों के लिए, अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता 30% तक पहुँच सकती है। बैंड गैप न्यूनतम फोटॉन ऊर्जा है जो एक इलेक्ट्रॉन को वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड तक उठा सकती है। सबसे आम वाणिज्यिक सौर सेल हैं चकमक तत्व.

सिलिकॉन मोनोक्रिस्टल और पॉलीक्रिस्टल। सिलिकॉन आज फोटोवोल्टिक मॉड्यूल के उत्पादन के लिए सबसे आम तत्वों में से एक है। हालांकि, सौर विकिरण के कम अवशोषण के कारण, सिलिकॉन क्रिस्टल सौर कोशिकाओं को आमतौर पर 300 माइक्रोमीटर चौड़ा बनाया जाता है। सिलिकॉन मोनोक्रिस्टलाइन फोटोकेल की दक्षता 17% तक पहुंच जाती है।

यदि हम एक पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन फोटोकेल लेते हैं, तो इसकी दक्षता मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन की तुलना में 5% कम है। एक पॉलीक्रिस्टल की कण सीमा आवेश वाहकों का पुनर्संयोजन केंद्र है। पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन क्रिस्टल का आकार कुछ मिमी से एक सेमी तक भिन्न हो सकता है।

गैलियम आर्सेनाइड (GaAs)। गैलियम आर्सेनाइड सौर कोशिकाओं ने पहले ही प्रयोगशाला स्थितियों में 25% की दक्षता का प्रदर्शन किया है। ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के लिए विकसित गैलियम आर्सेनाइड, बड़ी मात्रा में उत्पादन करना मुश्किल है और सौर कोशिकाओं के लिए काफी महंगा है। गैलियम आर्सेनाइड सौर सेल लगाए जाते हैं सौर सांद्रता के साथ, साथ ही कॉस्मोनॉटिक्स के लिए भी।

पतली फिल्म फोटोसेल तकनीक। सिलिकॉन कोशिकाओं का मुख्य नुकसान उनकी उच्च लागत है। अक्रिस्टलीय सिलिकॉन (a-Si), कैडमियम टेल्यूराइड (CdTe) या कॉपर-इंडियम डिसेलिनाइड (CuInSe2) से बनी पतली-फिल्म कोशिकाएं उपलब्ध हैं। पतली फिल्म सौर कोशिकाओं का लाभ कच्चे माल की बचत और सिलिकॉन सौर कोशिकाओं की तुलना में सस्ता उत्पादन है। इसलिए, हम कह सकते हैं कि पतली-फिल्म उत्पादों में फोटोकल्स में उपयोग की संभावनाएं हैं।

नकारात्मक पक्ष यह है कि कुछ सामग्रियां काफी जहरीली होती हैं, इसलिए उत्पाद सुरक्षा और पुनर्चक्रण एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। इसके अलावा, सिलिकॉन की तुलना में टेल्यूराइड एक घटता हुआ संसाधन है।पतली-फिल्म फोटोकल्स की दक्षता 11% (CuInSe2) तक पहुंच जाती है।

1960 के दशक की शुरुआत में, सौर कोशिकाओं की लागत लगभग $1,000/W चरम शक्ति थी और ज्यादातर अंतरिक्ष में निर्मित होती थी। 1970 के दशक में, फोटोकल्स का बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू हुआ और उनकी कीमत $100/W तक गिर गई। आगे की प्रगति और फोटोकल्स की कीमत में कमी ने घरेलू जरूरतों के लिए फोटोकल्स का उपयोग करना संभव बना दिया। विशेष रूप से बिजली लाइनों से दूर रहने वाली आबादी के हिस्से के लिए और मानक बिजली आपूर्ति, फोटोवोल्टिक मॉड्यूल एक अच्छा विकल्प बन गए हैं।

फोटो पहला सिलिकॉन आधारित सौर सेल दिखाता है। यह 1956 में अमेरिकी कंपनी बेल लेबोरेटरीज के वैज्ञानिकों और इंजीनियरों द्वारा बनाया गया था। एक सौर सेल विद्युत रूप से एक दूसरे से जुड़े फोटोवोल्टिक मॉड्यूल का एक संयोजन है। संयोजन का चयन आवश्यक विद्युत मापदंडों जैसे वर्तमान और वोल्टेज के आधार पर किया जाता है। 1 वाट से कम बिजली पैदा करने वाली ऐसी सौर बैटरी की एक सेल की कीमत 250 डॉलर है। उत्पादित बिजली पारंपरिक ग्रिड से 100 गुना अधिक महंगी थी।

लगभग 20 वर्षों से, सौर पैनलों का उपयोग केवल अंतरिक्ष के लिए किया जाता रहा है। 1977 में, बिजली की लागत को घटाकर 76 डॉलर प्रति वाट सेल कर दिया गया था। दक्षता धीरे-धीरे बढ़ी: 1990 के दशक के मध्य में 15% और 2000 तक 20%। इस विषय पर वर्तमान सबसे प्रासंगिक डेटा -सौर कोशिकाओं और मॉड्यूल की क्षमता

सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के उत्पादन को मोटे तौर पर तीन मुख्य चरणों में विभाजित किया जा सकता है:

• उच्च शुद्धता सिलिकॉन का उत्पादन;

• पतले सिलिकॉन वाशर बनाना;

• फोटोकेल की स्थापना।

उच्च शुद्धता सिलिकॉन के उत्पादन के लिए मुख्य कच्चा माल क्वार्ट्ज रेत (SiO2)2) है। पिघला इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा प्राप्त किया जाता है धातुकर्म सिलिकॉनजिसकी शुद्धता 98% तक होती है। सिलिकॉन पुनर्प्राप्ति प्रक्रिया तब होती है जब रेत 1800 डिग्री सेल्सियस के उच्च तापमान पर कार्बन के साथ संपर्क करती है:

फोटोकेल के उत्पादन के लिए शुद्धता की यह डिग्री पर्याप्त नहीं है, इसलिए इसे आगे संसाधित किया जाना चाहिए। सेमीकंडक्टर उद्योग के लिए सिलिकॉन की आगे की शुद्धि सीमेंस द्वारा विकसित तकनीक का उपयोग करके व्यावहारिक रूप से पूरी दुनिया में की जाती है।

«सीमेंस प्रक्रिया» हाइड्रोक्लोरिक एसिड के साथ धातुकर्म सिलिकॉन की प्रतिक्रिया से सिलिकॉन का शुद्धिकरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप ट्राइक्लोरोसिलेन (SiHCl3) होता है:

Trichlorosilane (SiHCl3) तरल चरण में है, इसलिए यह हाइड्रोजन से आसानी से अलग हो जाता है। इसके अलावा, ट्राइक्लोरोसिलेन के बार-बार आसवन से इसकी शुद्धता 10-10% तक बढ़ जाती है।

बाद की प्रक्रिया - शुद्ध ट्राइक्लोरोसिलेन की पायरोलिसिस - का उपयोग उच्च शुद्धता वाले पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। परिणामी पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सेमीकंडक्टर उद्योग में उपयोग की शर्तों को पूरी तरह से पूरा नहीं करता है, लेकिन सौर फोटोवोल्टिक उद्योग के लिए सामग्री की गुणवत्ता पर्याप्त है।

पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन के उत्पादन के लिए एक कच्चा माल है। मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन के उत्पादन के लिए दो विधियों का उपयोग किया जाता है - Czochralski विधि और ज़ोन मेल्टिंग विधि।

Czochralski की विधि ऊर्जा गहन होने के साथ-साथ सामग्री गहन भी है। अपेक्षाकृत कम मात्रा में पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन को क्रूसिबल में चार्ज किया जाता है और वैक्यूम के तहत पिघलाया जाता है।मोनोसिलिकॉन का एक छोटा बीज पिघल की सतह पर गिरता है और फिर सतह के तनाव के बल के कारण बेलनाकार पिंड को घुमाता, ऊपर उठाता है।

वर्तमान में, खींचे गए पिंडों का व्यास 300 मिमी तक है। 100-150 मिमी व्यास वाले सिल्लियों की लंबाई 75-100 सेंटीमीटर तक पहुंच जाती है लम्बी पिंड की क्रिस्टल संरचना बीज की मोनोक्रिस्टलाइन संरचना को दोहराती है। एक पिंड का व्यास और लंबाई बढ़ाने के साथ-साथ इसके काटने की तकनीक में सुधार करने से कचरे की मात्रा कम हो जाएगी, जिससे परिणामी फोटोकल्स की लागत कम हो जाएगी।

बेल्ट तकनीक। मोबिल सोलर एनर्जी कॉरपोरेशन द्वारा विकसित तकनीकी प्रक्रिया सिलिकॉन स्ट्रिप्स को पिघल से खींचने और उन पर सौर सेल बनाने पर आधारित है। मैट्रिक्स आंशिक रूप से सिलिकॉन पिघल में डूब जाता है और, केशिका प्रभाव के कारण, पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन उगता है, एक रिबन बनाता है। पिघल क्रिस्टलीकृत होता है और मैट्रिक्स से हटा दिया जाता है। उत्पादकता बढ़ाने के लिए, उपकरण डिज़ाइन किया गया है, जिस पर एक ही समय में नौ बेल्ट तक प्राप्त करना संभव है। नतीजा नौ तरफा प्रिज्म है।

बेल्ट का लाभ यह है कि वे इस तथ्य के कारण कम लागत वाले हैं कि पिंड काटने की प्रक्रिया को बाहर रखा गया है। इसके अलावा, आयताकार फोटोवोल्टिक कोशिकाओं को आसानी से प्राप्त किया जा सकता है, जबकि मोनोक्रिस्टलाइन प्लेटों का गोल आकार फोटोवोल्टिक मॉड्यूल में फोटोवोल्टिक सेल के अच्छे स्थान में योगदान नहीं देता है।

परिणामी पॉलीक्रिस्टलाइन या मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन छड़ को 0.2-0.4 मिमी मोटी पतली वेफर्स में काटा जाना चाहिए। मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन की एक छड़ को काटते समय, लगभग 50% सामग्री नुकसान में खो जाती है।इसके अलावा, गोल वाशर हमेशा नहीं होते हैं, लेकिन अक्सर चौकोर आकार बनाने के लिए कट जाते हैं।