सौर ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलने की प्रक्रिया कैसे काम करती है

हम में से कई लोगों ने किसी न किसी तरह से सौर सेल का सामना किया है। किसी ने घरेलू उपयोग के लिए बिजली उत्पन्न करने के लिए सौर पैनलों का उपयोग किया है या कर रहा है, किसी ने खेत में अपने पसंदीदा गैजेट को चार्ज करने के लिए छोटे सौर पैनल का उपयोग किया है, और किसी ने निश्चित रूप से माइक्रो कैलकुलेटर पर एक छोटा सौर सेल देखा है। कुछ तो उनके दर्शन करने के लिए भी भाग्यशाली थे सौर ऊर्जा संयंत्र. 

लेकिन क्या आपने कभी सोचा है कि सौर ऊर्जा को बिजली में बदलने की प्रक्रिया कैसे काम करती है? इन सभी सौर सेलों के संचालन के पीछे कौन-सी भौतिक घटना है? आइए भौतिकी की ओर मुड़ें और पीढ़ी की प्रक्रिया को विस्तार से समझें।

शुरू से ही यह स्पष्ट है कि यहाँ ऊर्जा का स्रोत सूर्य का प्रकाश है या वैज्ञानिक रूप से कहें तो, विद्युतीय ऊर्जा सौर विकिरण के फोटॉनों के कारण उत्पन्न होता है। इन फोटॉनों को सूर्य से लगातार चलने वाले प्राथमिक कणों की एक धारा के रूप में दर्शाया जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक में ऊर्जा होती है, और इसलिए पूरी प्रकाश धारा में किसी प्रकार की ऊर्जा होती है।

सूर्य की सतह के प्रत्येक वर्ग मीटर से विकिरण के रूप में 63 मेगावाट ऊर्जा लगातार उत्सर्जित होती है! इस विकिरण की अधिकतम तीव्रता दृश्य स्पेक्ट्रम की सीमा पर पड़ती है — तरंग दैर्ध्य 400 से 800 एनएम तक. 

तो, वैज्ञानिकों ने पाया है कि सूर्य से पृथ्वी की दूरी पर सूर्य के प्रकाश के प्रवाह का ऊर्जा घनत्व 149600000 किलोमीटर है, वायुमंडल से गुजरने के बाद, और हमारे ग्रह की सतह पर पहुंचने पर, औसतन लगभग 900 वाट प्रति वर्ग मीटर।

यहां आप इस ऊर्जा को स्वीकार कर सकते हैं और इससे बिजली प्राप्त करने का प्रयास कर सकते हैं, अर्थात सूर्य के प्रकाश प्रवाह की ऊर्जा को गतिमान आवेशित कणों की ऊर्जा में परिवर्तित कर सकते हैं, दूसरे शब्दों में, बिजली. 

प्रकाश को बिजली में बदलने के लिए, हमें एक फोटोइलेक्ट्रिक कन्वर्टर की आवश्यकता होती है। ऐसे कन्वर्टर्स बहुत आम हैं, वे मुक्त व्यापार में पाए जाते हैं, ये तथाकथित सौर सेल हैं - सिलिकॉन से काटे गए प्लेटों के रूप में फोटोवोल्टिक कन्वर्टर्स।

सबसे अच्छे मोनोक्रिस्टलाइन हैं, उनकी दक्षता लगभग 18% है, अर्थात, यदि सूर्य से फोटॉन प्रवाह में 900 W / m2 का ऊर्जा घनत्व है, तो आप एक वर्ग मीटर से 160 W बिजली प्राप्त करने पर भरोसा कर सकते हैं। बैटरी ऐसी कोशिकाओं से इकट्ठी होती है।

"फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट" नामक एक घटना यहां काम करती है। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव या फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव - यह प्रकाश या अन्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण के प्रभाव में किसी पदार्थ (किसी पदार्थ के परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों के अलग होने की घटना) से इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन की घटना है।

पहले से ही 1900 मेंक्वांटम भौतिकी के जनक मैक्स प्लैंक ने सुझाव दिया कि प्रकाश अलग-अलग कणों, या क्वांटा द्वारा उत्सर्जित और अवशोषित होता है, जिसे बाद में, 1926 में, रसायनज्ञ गिल्बर्ट लुईस ने "फोटॉन" कहा।

प्रत्येक फोटॉन में एक ऊर्जा होती है जिसे सूत्र E = hv - प्लैंक स्थिरांक को उत्सर्जन की आवृत्ति से गुणा करके निर्धारित किया जा सकता है।

मैक्स प्लैंक के विचार के अनुसार, 1887 में हर्ट्ज़ द्वारा खोजी गई घटना और फिर स्टोलेटोव द्वारा 1888 से 1890 तक गहन अध्ययन की व्याख्या की जा सकती है। अलेक्जेंडर स्टोलेटोव ने प्रयोगात्मक रूप से फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का अध्ययन किया और फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव (स्टोलेटोव के कानून) के तीन कानूनों की स्थापना की:

• फोटोकैथोड पर गिरने वाले विद्युत चुम्बकीय विकिरण की एक निरंतर वर्णक्रमीय संरचना पर, संतृप्ति फोटोक्रेक्ट कैथोड विकिरण के समानुपाती होती है (अन्यथा: 1 एस में कैथोड से निकलने वाले फोटोइलेक्ट्रॉनों की संख्या सीधे विकिरण की तीव्रता के समानुपाती होती है)।

• फोटोइलेक्ट्रॉनों की अधिकतम प्रारंभिक गति आपतित प्रकाश की तीव्रता पर निर्भर नहीं करती है, बल्कि केवल इसकी आवृत्ति द्वारा निर्धारित होती है।

• प्रत्येक पदार्थ के लिए फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की एक लाल सीमा होती है, यानी प्रकाश की न्यूनतम आवृत्ति (पदार्थ की रासायनिक प्रकृति और सतह की स्थिति के आधार पर) जिसके नीचे फोटो प्रभाव असंभव है।

बाद में, 1905 में, आइंस्टीन ने फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के सिद्धांत को स्पष्ट किया। वह दिखाएंगे कि कैसे प्रकाश का क्वांटम सिद्धांत और ऊर्जा के संरक्षण और रूपांतरण का नियम पूरी तरह से व्याख्या करता है कि क्या होता है और क्या देखा जाता है। आइंस्टीन फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के लिए समीकरण लिखेंगे, जिसके लिए उन्होंने 1921 में नोबेल पुरस्कार जीता:

कार्य कार्य करता है और यहां न्यूनतम कार्य है जो एक इलेक्ट्रॉन को किसी पदार्थ के परमाणु को छोड़ने के लिए करना चाहिए।दूसरा पद बाहर निकलने के बाद इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा है।

अर्थात्, फोटॉन परमाणु के इलेक्ट्रॉन द्वारा अवशोषित होता है, इसलिए अवशोषित फोटॉन की ऊर्जा की मात्रा से परमाणु में इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है।

इस ऊर्जा का एक भाग परमाणु से इलेक्ट्रॉन को छोड़ने पर खर्च होता है, इलेक्ट्रॉन परमाणु को छोड़ देता है और उसे स्वतंत्र रूप से चलने का अवसर मिलता है। और निर्देशित गतिमान इलेक्ट्रॉन विद्युत प्रवाह या फोटोक्रेक्ट से ज्यादा कुछ नहीं हैं। नतीजतन, हम फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के परिणामस्वरूप किसी पदार्थ में ईएमएफ की उपस्थिति के बारे में बात कर सकते हैं।

यानी सौर बैटरी काम करती है, इसमें काम करने वाले फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के लिए धन्यवाद। लेकिन फोटोवोल्टिक कनवर्टर में "नॉक आउट" इलेक्ट्रॉन कहाँ जाते हैं? फोटोवोल्टिक कनवर्टर या सौर सेल या फोटोकेल है अर्धचालक, इसलिए, इसमें असामान्य तरीके से फोटो प्रभाव होता है, यह एक आंतरिक फोटो प्रभाव है, और यहां तक ​​​​कि एक विशेष नाम "वाल्व फोटो प्रभाव" भी है।

सूर्य के प्रकाश के प्रभाव में, अर्धचालक के पीएन जंक्शन में एक फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव होता है और एक ईएमएफ दिखाई देता है, लेकिन इलेक्ट्रॉन फोटोसेल को नहीं छोड़ते हैं, अवरुद्ध परत में सब कुछ तब होता है जब इलेक्ट्रॉन शरीर के एक हिस्से को छोड़कर दूसरे में जाते हैं इसे का हिस्सा।

पृथ्वी की पपड़ी में सिलिकॉन इसके द्रव्यमान का 30% है, यही कारण है कि इसका उपयोग हर जगह किया जाता है। सामान्य रूप से अर्धचालकों की ख़ासियत इस तथ्य में निहित है कि वे न तो कंडक्टर हैं और न ही अचालक हैं, उनकी चालकता अशुद्धियों की एकाग्रता, तापमान और विकिरण के प्रभाव पर निर्भर करती है।

सेमीकंडक्टर में बैंडगैप कुछ इलेक्ट्रॉन वोल्ट होता है, और यह परमाणुओं के ऊपरी वैलेंस बैंड स्तर के बीच का ऊर्जा अंतर होता है, जिससे इलेक्ट्रॉन वापस ले लिए जाते हैं, और निम्न चालन स्तर। सिलिकॉन में 1.12 eV का बैंडगैप है - जो सौर विकिरण को अवशोषित करने के लिए आवश्यक है।

तो पीएन जंक्शन। फोटोसेल में डोप की गई सिलिकॉन परतें एक pn जंक्शन बनाती हैं। यहां इलेक्ट्रॉनों के लिए एक ऊर्जा अवरोध है, वे वैलेंस बैंड को छोड़कर केवल एक दिशा में चलते हैं, छेद विपरीत दिशा में चलते हैं। इस तरह सोलर सेल में करंट प्राप्त होता है, यानी सूरज की रोशनी से बिजली का उत्पादन।

पीएन जंक्शन, फोटॉनों की कार्रवाई के संपर्क में, चार्ज वाहक - इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को - केवल एक दिशा के अलावा अन्य तरीके से स्थानांतरित करने की अनुमति नहीं देता है, वे अलग हो जाते हैं और बाधा के विपरीत पक्षों पर समाप्त हो जाते हैं। और जब ऊपरी और निचले इलेक्ट्रोड के माध्यम से लोड सर्किट से जुड़ा होता है, तो फोटोवोल्टिक कनवर्टर, जब सूरज की रोशनी के संपर्क में आता है, बाहरी सर्किट में बना देगा प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह.