फोटोवोल्टिक्स का इतिहास, पहला सौर पैनल कैसे बनाया गया

खोजों, प्रयोगों और सिद्धांतों

फोटोवोल्टिक्स का इतिहास फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज से शुरू होता है। 29 जुलाई, 1839 को फ्रेंच एकेडमी ऑफ साइंसेज की बैठक में एलेक्जेंडर एडमंड बेकरेल द्वारा यह निष्कर्ष प्रस्तुत किया गया था कि विलयन (तरल) में डूबे हुए धातु इलेक्ट्रोड के बीच धारा रोशनी की तीव्रता के साथ बदलती है। बाद में उन्होंने लेख प्रकाशित किया।

उनके पिता एंटोनी सीज़र बेकरेल को कभी-कभी खोजकर्ता कहा जाता है। यह इस तथ्य के कारण हो सकता है कि प्रकाशन के समय एडमंड बेकरेल केवल 20 वर्ष के थे और अभी भी अपने पिता की प्रयोगशाला में काम कर रहे थे।

महान स्कॉटिश वैज्ञानिक जेम्स क्लर्क मैक्सवेल सेलेनियम के व्यवहार से जुड़े कई यूरोपीय वैज्ञानिकों में से एक थे, जिसे पहली बार 1873 में जर्नल ऑफ़ द सोसाइटी ऑफ़ टेलीग्राफ इंजीनियर्स में प्रकाशित विलोबी स्मिथ द्वारा एक लेख में वैज्ञानिक समुदाय के ध्यान में लाया गया था।

गुट्टा परचा कंपनी के मुख्य इलेक्ट्रिकल इंजीनियर स्मिथ ने 1860 के दशक के अंत में डाइविंग से पहले ट्रांसअटलांटिक केबलों में दोषों का पता लगाने के लिए सेलेनियम की छड़ का इस्तेमाल किया। जबकि सेलेनियम की छड़ें रात में अच्छी तरह से काम करती हैं, सूरज निकलने पर वे बहुत काम करती हैं।

यह संदेह करते हुए कि सेलेनियम के विशेष गुणों का उस पर पड़ने वाले प्रकाश की मात्रा से कुछ लेना-देना है, स्मिथ ने छड़ों को एक स्लाइडिंग ढक्कन के साथ एक बॉक्स में रखा। जब दराज को बंद कर दिया गया था और रोशनी बंद कर दी गई थी, तो छड़ों का प्रतिरोध - जिस हद तक वे उनके माध्यम से विद्युत प्रवाह के मार्ग को बाधित करते थे - अधिकतम था और स्थिर बना रहा। लेकिन जब बॉक्स का ढक्कन हटा दिया गया, तो उनकी चालकता तुरंत "प्रकाश की तीव्रता के अनुसार बढ़ गई।"

स्मिथ की रिपोर्ट के बाद सेलेनियम पर प्रकाश के प्रभाव का अध्ययन करने वाले शोधकर्ताओं में दो ब्रिटिश वैज्ञानिक, प्रोफेसर विलियम ग्रिल्स एडम्स और उनके छात्र रिचर्ड इवांस डे थे।

1870 के दशक के उत्तरार्ध में, उन्होंने सेलेनियम पर कई प्रयोग किए, और इनमें से एक प्रयोग में उन्होंने सेलेनियम की छड़ के बगल में एक मोमबत्ती जलाई जिसका उपयोग स्मिथ कर रहे थे। उनके मीटर पर बना तीर तुरंत प्रतिक्रिया करता है। सेलेनियम को प्रकाश से बचाने के कारण सुई तुरंत शून्य हो गई।

ये तीव्र प्रतिक्रियाएँ मोमबत्ती की लौ की गर्मी की संभावना को रोकती हैं, क्योंकि जब गर्मी की आपूर्ति या हटा दी जाती है थर्मोइलेक्ट्रिक प्रयोगों में, सुई हमेशा धीरे-धीरे उठती या गिरती है। «इसलिए», शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला, «यह स्पष्ट था कि वर्तमान केवल प्रकाश की क्रिया के तहत सेलेनियम में जारी किया जा सकता है।» एडम्स और डे ने प्रकाश द्वारा उत्पन्न धारा को "फोटोवोल्टिक" कहा।

बेकरेल द्वारा देखे गए फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के विपरीत, जब एक विद्युत सेल में धारा प्रकाश की क्रिया के तहत बदल जाती है, इस मामले में विद्युत वोल्टेज (और वर्तमान) केवल प्रकाश की क्रिया के तहत बाहरी विद्युत क्षेत्र की क्रिया के बिना उत्पन्न होता है।

एडम्स और डे ने एक केंद्रित फोटोवोल्टिक प्रणाली का एक मॉडल भी बनाया, जिसे उन्होंने इंग्लैंड में कई प्रमुख लोगों को प्रस्तुत किया, लेकिन इसे व्यावहारिक उपयोग में नहीं लाया।

एक और रचनाकार फोटोवोल्टिक कोशिकाओं सेलेनियम पर आधारित 1883 में अमेरिकी आविष्कारक चार्ल्स फ्रिट्स थे।

उन्होंने एक धातु की प्लेट पर सेलेनियम की एक विस्तृत पतली परत फैलाई और इसे सोने की पत्ती की एक पतली पारभासी फिल्म के साथ कवर किया। फ्रिट्ज ने कहा, सेलेनियम के इस मॉड्यूल ने "निरंतर, स्थिर और काफी ताकत का उत्पादन किया ... न केवल अंदर सूरज की रोशनी, लेकिन कमजोर में भी, दिन के उजाले और यहां तक ​​कि लैम्पलाइट को भी फैलाती है।

लेकिन उनके फोटोवोल्टिक सेल्स की क्षमता 1% से भी कम थी। हालांकि, उनका मानना ​​था कि वे एडिसन के कोयले से चलने वाले बिजली संयंत्रों का मुकाबला कर सकते हैं।

1884 में न्यूयॉर्क शहर की छत पर चार्ल्स फ्रिट्स का सोने का पानी चढ़ा हुआ सेलेनियम सौर पैनल।

फ्रिट्ज़ ने अपना एक सौर पैनल वर्नर वॉन सीमेंस को भेजा, जिसकी प्रतिष्ठा एडिसन के बराबर थी।

प्रकाशित होने पर पैनलों की विद्युत शक्ति से सीमेंस इतने प्रभावित हुए कि एक प्रसिद्ध जर्मन वैज्ञानिक ने प्रशिया में रॉयल अकादमी को फ्रिट्स पैनल प्रस्तुत किया। सीमेंस ने वैज्ञानिक दुनिया को बताया कि अमेरिकी मॉड्यूल ने "पहली बार हमें प्रकाश ऊर्जा का विद्युत ऊर्जा में प्रत्यक्ष रूपांतरण प्रस्तुत किया।"

कुछ वैज्ञानिकों ने सीमेंस की पुकार पर ध्यान दिया है। यह खोज उस समय की विज्ञान की हर बात का खंडन करती दिख रही थी।

एडम्स और डे और फ्रिथ के "मैजिक" पैनल द्वारा उपयोग की जाने वाली सेलेनियम की छड़ें ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए भौतिकी में ज्ञात विधियों पर निर्भर नहीं करती थीं। इसलिए, बहुमत ने उन्हें आगे के वैज्ञानिक अनुसंधान के दायरे से बाहर कर दिया।

फोटोइलेक्ट्रिक घटना का भौतिक सिद्धांत अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र पर अपने 1905 के पेपर में सैद्धांतिक रूप से वर्णित किया गया था, जिसे उन्होंने विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र पर लागू किया था, जिसे मैक्स कार्ल अर्नस्ट लुडविग प्लैंक ने सदी के अंत में प्रकाशित किया था।

आइंस्टीन की व्याख्या से पता चलता है कि एक मुक्त इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा केवल विकिरण की आवृत्ति (फोटॉन ऊर्जा) और विकिरण की तीव्रता (फोटोन की संख्या) से इलेक्ट्रॉनों की संख्या पर निर्भर करती है। यह सैद्धांतिक भौतिकी के विकास में उनके काम के लिए था, विशेष रूप से फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के नियमों की खोज के लिए, आइंस्टीन को 1921 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

आइंस्टीन का प्रकाश का साहसिक नया विवरण, इलेक्ट्रॉन की खोज और उसके व्यवहार का अध्ययन करने के लिए बाद की ड्राइव के साथ संयुक्त - सभी 19 वीं शताब्दी की शुरुआत में हुए - एक वैज्ञानिक आधार के साथ फोटोइलेक्ट्रिकिटी प्रदान की, जिसकी पहले कमी थी और जो अब इस घटना को शब्दों में समझा सकता है। विज्ञान के लिए समझ में आता है।

सेलेनियम जैसी सामग्रियों में, अधिक शक्तिशाली फोटॉन में इतनी ऊर्जा होती है कि वे ढीले-ढाले इलेक्ट्रॉनों को उनकी परमाणु कक्षाओं से बाहर खदेड़ सकें। जब तारों को सेलेनियम की छड़ से जोड़ा जाता है, तो मुक्त इलेक्ट्रॉन उनके माध्यम से बिजली के रूप में प्रवाहित होते हैं।

उन्नीसवीं सदी के प्रयोगकर्ताओं ने प्रक्रिया को फोटोवोल्टिक कहा, लेकिन 1920 के दशक तक, वैज्ञानिक इस घटना को फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव कह रहे थे।

सौर कोशिकाओं पर उनकी 1919 की पुस्तक मेंथॉमस बेन्सन ने "अपरिहार्य सौर जनरेटर" के अग्रदूत के रूप में सेलेनियम के साथ अग्रदूतों के काम की प्रशंसा की।

हालांकि, क्षितिज पर कोई खोज नहीं होने के कारण, वेस्टिंगहाउस के फोटोवोल्टिक डिवीजन के प्रमुख केवल निष्कर्ष निकाल सकते हैं: "फोटोवोल्टिक कोशिकाएं व्यावहारिक इंजीनियरों के लिए तब तक रूचि नहीं लेंगी जब तक कि वे कम से कम पचास गुना अधिक कुशल न हों।"

फोटोवोल्टाइक्स एंड इट्स एप्लिकेशन के लेखक निराशावादी पूर्वानुमान से सहमत थे, उन्होंने 1949 में लिखा: "इसे भविष्य पर छोड़ देना चाहिए कि क्या भौतिक रूप से अधिक कुशल कोशिकाओं की खोज उपयोगी उद्देश्यों के लिए सौर ऊर्जा का उपयोग करने की संभावना को खोलेगी।"

फोटोवोल्टिक प्रभाव के तंत्र: फोटोवोल्टिक प्रभाव और इसकी किस्में

अभ्यास में फोटोवोल्टिक

1940 में, रसेल शोमेकर ओले ने गलती से बनाया पीएन जंक्शन सिलिकॉन पर और पाया कि यह प्रदीप्त होने पर बिजली उत्पन्न करता है। उन्होंने अपनी खोज का पेटेंट कराया। दक्षता लगभग 1% है।

सौर कोशिकाओं के आधुनिक रूप का जन्म 1954 में बेल लेबोरेटरीज में हुआ था। डोप्ड सिलिकॉन के प्रयोगों में, इसकी उच्च प्रकाश संवेदनशीलता स्थापित की गई थी। परिणाम लगभग छह प्रतिशत की दक्षता वाला एक फोटोवोल्टिक सेल था।

प्राउड बेल के अधिकारी 25 अप्रैल, 1954 को बेल सोलर पैनल का अनावरण करते हैं, जिसमें कोशिकाओं का एक पैनल होता है जो फेरिस व्हील को चलाने के लिए पूरी तरह से प्रकाश ऊर्जा पर निर्भर करता है। अगले दिन, बेल वैज्ञानिकों ने एक सौर ऊर्जा संचालित रेडियो ट्रांसमीटर लॉन्च किया जो वाशिंगटन में एक बैठक के लिए एकत्र हुए अमेरिका के प्रमुख वैज्ञानिकों को आवाज और संगीत प्रसारित करता था।

1950 के दशक की शुरुआत में पहली सौर फोटोवोल्टिक कोशिकाओं का विकास किया गया था।

सदर्न बेल इलेक्ट्रीशियन 1955 में एक सौर पैनल को असेंबल करता है।

1950 के दशक के उत्तरार्ध से अंतरिक्ष उपग्रहों पर विभिन्न उपकरणों को बिजली देने के लिए फोटोवोल्टिक कोशिकाओं का उपयोग बिजली के स्रोत के रूप में किया जाता रहा है। 17 मार्च, 1958 को कक्षा में लॉन्च किए गए फोटोकल्स के साथ पहला उपग्रह अमेरिकी उपग्रह वैनगार्ड I (अवांगार्ड I) था।

अमेरिकी उपग्रह मोहरा I, 1958।

मोहरा I उपग्रह अभी भी कक्षा में है। इसने अंतरिक्ष में 60 से अधिक वर्ष बिताए (अंतरिक्ष में सबसे पुरानी मानव निर्मित वस्तु मानी जाती है)।

मोहरा I पहला सौर ऊर्जा संचालित उपग्रह था और इसके सौर सेल ने सात वर्षों तक उपग्रह को शक्ति प्रदान की। इसने 1964 में पृथ्वी को संकेत भेजना बंद कर दिया था, लेकिन तब से शोधकर्ताओं ने अभी भी इसका उपयोग यह जानने के लिए किया है कि सूर्य, चंद्रमा और पृथ्वी का वातावरण परिक्रमा करने वाले उपग्रहों को कैसे प्रभावित करता है।

उठे हुए सौर पैनलों के साथ अमेरिकी उपग्रह एक्सप्लोरर 6, 1959।

कुछ अपवादों के साथ, यह उन उपकरणों के लिए बिजली का मुख्य स्रोत है जिनसे लंबे समय तक काम करने की उम्मीद की जाती है। अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (ISS) पर फोटोवोल्टिक पैनलों की कुल क्षमता 110 kWh है।

अंतरिक्ष में सौर पैनल

1950 के दशक में पहली फोटोवोल्टिक कोशिकाओं की कीमतें हजारों डॉलर प्रति वाट रेटेड पावर थीं, और उनके उत्पादन के लिए ऊर्जा की खपत इन कोशिकाओं द्वारा उनके जीवनकाल में उत्पादित बिजली की मात्रा से अधिक थी।

कम दक्षता के अलावा इसका कारण यह था कि माइक्रोचिप्स के उत्पादन के रूप में फोटोवोल्टिक कोशिकाओं के उत्पादन में व्यावहारिक रूप से वही तकनीकी और ऊर्जा-गहन प्रक्रियाओं का उपयोग किया गया था।

स्थलीय स्थितियों में, फोटोवोल्टिक पैनलों का उपयोग पहले दूरदराज के स्थानों में छोटे उपकरणों को बिजली देने के लिए किया जाता था, उदाहरण के लिए, प्लवों पर, जहां उन्हें पावर ग्रिड से जोड़ना बेहद मुश्किल या असंभव होगा। बिजली के अन्य स्रोतों पर फोटोवोल्टिक पैनलों का मुख्य लाभ यह है कि उन्हें ईंधन और रखरखाव की आवश्यकता नहीं होती है।

पहला बड़े पैमाने पर उत्पादित फोटोवोल्टिक पैनल 1979 में बाजार में दिखाई दिए।

1970 के दशक के तेल संकट से पृथ्वी पर ऊर्जा के स्रोत के साथ-साथ अन्य नवीकरणीय स्रोतों के रूप में फोटोवोल्टाइक्स में बढ़ती दिलचस्पी बढ़ी।

तब से, गहन अनुसंधान और विकास किया गया है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च दक्षता, कम कीमत और फोटोवोल्टिक कोशिकाओं और पैनलों का लंबा जीवन है। साथ ही, उत्पादन की ऊर्जा तीव्रता इतनी कम हो गई है कि पैनल उत्पादन करने के लिए उपयोग की जाने वाली ऊर्जा से कई गुना अधिक ऊर्जा उत्पन्न करता है।

1980 के दशक की शुरुआत से सबसे पुरानी (अभी भी उपयोग में) बड़ी तटीय संरचनाएं हैं। उस समय, क्रिस्टलीय सिलिकॉन सेल अभी भी पूरी तरह से हावी थे, जिनकी सेवा जीवन कम से कम 30 वर्षों की वास्तविक परिस्थितियों में पुष्टि की गई थी।

अनुभव के आधार पर, निर्माता गारंटी देते हैं कि 25 वर्षों के बाद पैनल का प्रदर्शन अधिकतम 20% कम हो जाएगा (हालांकि, उल्लिखित स्थापनाओं के परिणाम बहुत बेहतर हैं)। अन्य प्रकार के पैनलों के लिए, त्वरित परीक्षण के आधार पर सेवा जीवन का अनुमान लगाया जाता है।

मूल मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सेल के अलावा, पिछले कुछ वर्षों में कई नए प्रकार के फोटोवोल्टिक सेल विकसित किए गए हैं, दोनों क्रिस्टलीय और पतली फिल्म… हालांकि, फोटोवोल्टिक में सिलिकॉन अभी भी प्रमुख सामग्री है।

फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकी ने 2008 के बाद से एक प्रमुख उछाल का अनुभव किया है, जब क्रिस्टलीय सिलिकॉन की कीमतों में तेजी से गिरावट शुरू हुई, मुख्य रूप से चीन में उत्पादन के हस्तांतरण के कारण, जो पहले बाजार में अल्पसंख्यक खिलाड़ी था (ज्यादातर फोटोवोल्टिक उत्पादन जापान में केंद्रित था, यू.एस., स्पेन और जर्मनी)।

फोटोवोल्टिक केवल विभिन्न समर्थन प्रणालियों की शुरुआत के साथ ही व्यापक हो गए। पहले जापान में सब्सिडी कार्यक्रम और फिर जर्मनी में खरीद मूल्य प्रणाली थी। इसके बाद, इसी तरह की प्रणाली कई अन्य देशों में शुरू की गई थी।

फोटोवोल्टिक ऊर्जा आज सबसे आम अक्षय ऊर्जा स्रोत है और यह एक बहुत तेजी से बढ़ता उद्योग भी है। यह व्यापक रूप से इमारतों की छतों के साथ-साथ भूमि पर भी स्थापित है जिसका उपयोग कृषि कार्य के लिए नहीं किया जा सकता है।

नवीनतम रुझानों में जल प्रतिष्ठान भी शामिल हैं फ्लोटिंग फोटोवोल्टिक सिस्टम और कृषि-फोटोवोल्टिक प्रतिष्ठान, कृषि उत्पादन के साथ फोटोवोल्टिक प्रतिष्ठानों का संयोजन।