সৌর কক্ষ বা ফটোভলটাইক কক্ষের কাজের নীতি

আলোর শক্তি থেকে বিদ্যুৎ শক্তি রূপান্তর করা হয় একটি ঘটনার উপর ভিত্তি করে যা ফটোভোলটাইক প্রভাব নামে পরিচিত। যখন অর্ধপরিবাহী পদার্থগুলিকে আলোতে প্রকাশ করা হয়, তখন আলোর কিছু ফোটন অর্ধপরিবাহী ক্রিস্টাল দ্বারা শোষিত হয় যা ক্রিস্টালে অনেক সংখ্যক মুক্ত ইলেকট্রন উৎপন্ন করে। এটি ফটোভোলটাইক প্রভাবের কারণে বিদ্যুৎ উৎপাদনের মৌলিক কারণ। ফটোভোলটাইক সেল হল সেই ব্যবস্থার মৌলিক একক যেখানে ফটোভোলটাইক প্রভাব ব্যবহৃত হয় আলোর শক্তি থেকে বিদ্যুৎ উৎপাদন করতে। সিলিকন হল সবচেয়ে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত অর্ধপরিবাহী পদার্থ যা ফটোভোলটাইক সেল তৈরি করার জন্য ব্যবহৃত হয়। সিলিকন পরমাণুতে চারটি ভ্যালেন্স ইলেকট্রন রয়েছে। একটি ঠান্ডা ক্রিস্টালে, প্রতিটি সিলিকন পরমাণু তার চারটি ভ্যালেন্স ইলেকট্রন অন্য একটি সংলগ্ন সিলিকন পরমাণুর সাথে ভাগ করে নেয় যা তাদের মধ্যে কোভ্যালেন্ট বন্ধন তৈরি করে। এভাবে, সিলিকন ক্রিস্টাল একটি টেট্রাহেড্রাল ল্যাটিস গঠন পায়। যখন আলোর রশ্মি কোনও পদার্থে প্রতিফলিত হয়, তখন আলোর কিছু অংশ প্রতিফলিত হয়, কিছু অংশ পদার্থ দিয়ে অতিক্রম করে এবং বাকি অংশ পদার্থ দ্বারা শোষিত হয়।

একই ঘটনা ঘটে যখন আলো সিলিকন ক্রিস্টালে পতিত হয়। যদি পতিত আলোর তীব্রতা যথেষ্ট হয়, তাহলে ক্রিস্টাল দ্বারা যথেষ্ট সংখ্যক ফোটন শোষিত হয় এবং এই ফোটনগুলি কোভ্যালেন্ট বন্ধনের কিছু ইলেকট্রনকে উত্তেজিত করে। এই উত্তেজিত ইলেকট্রনগুলি তখন যথেষ্ট শক্তি পায় যাতে তারা ভ্যালেন্স ব্যান্ড থেকে পরিবাহী ব্যান্ডে স্থানান্তরিত হয়। যেহেতু এই ইলেকট্রনগুলির শক্তি পরিবাহী ব্যান্ডে রয়েছে, তারা কোভ্যালেন্ট বন্ধন থেকে বেরিয়ে আসে এবং প্রতিটি বেরিয়ে আসা ইলেকট্রনের পিছনে একটি গর্ত রেখে যায়। এই গর্তগুলিকে মুক্ত ইলেকট্রন বলা হয় এবং সিলিকনের ক্রিস্টাল গঠনের মধ্যে দৈব ভাবে চলাচল করে। এই মুক্ত ইলেকট্রন ও গর্তগুলি ফটোভোলটাইক সেল এ বিদ্যুৎ উৎপাদনে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। এই ইলেকট্রন ও গর্তগুলিকে যথাক্রমে আলো-উৎপন্ন ইলেকট্রন ও গর্ত বলা হয়। এই আলো-উৎপন্ন ইলেকট্রন ও গর্তগুলি সিলিকন ক্রিস্টালে একা বিদ্যুৎ উৎপাদন করতে পারে না। এর জন্য কিছু অতিরিক্ত মেকানিজম প্রয়োজন।

যখন ফসফরাস এর মতো পেন্টাভ্যালেন্ট দূষণকারী পদার্থ সিলিকনে যোগ করা হয়, তখন প্রতিটি পেন্টাভ্যালেন্ট ফসফরাস পরমাণুর চারটি ভ্যালেন্স ইলেকট্রন কোভ্যালেন্ট বন্ধন দিয়ে চারটি সন্নিহিত সিলিকন পরমাণুর সাথে ভাগ করে নেয়, এবং পঞ্চম ভ্যালেন্স ইলেকট্রন কোনও কোভ্যালেন্ট বন্ধন তৈরি করার সুযোগ পায় না।

এই পঞ্চম ইলেকট্রন তার পিতৃ পরমাণুর সাথে আপেক্ষিকভাবে খুব স্বাচ্ছন্দ্যে বাঁধা থাকে। এমনকি ঘরের তাপমাত্রাতেও, ক্রিস্টালে উপলব্ধ তাপশক্তি পর্যাপ্ত হয় যাতে এই আপেক্ষিকভাবে খুলা পঞ্চম ইলেকট্রনগুলি তাদের পিতৃ ফসফরাস পরমাণু থেকে বিচ্ছিন্ন হয়ে যায়। যখন এই পঞ্চম আপেক্ষিকভাবে খুলা ইলেকট্রন তার পিতৃ ফসফরাস পরমাণু থেকে বিচ্ছিন্ন হয়, তখন ফসফরাস পরমাণু একটি স্থির ধনাত্মক আয়ন হয়। বিচ্ছিন্ন ইলেকট্রনটি মুক্ত হয়, কিন্তু ক্রিস্টালে কোনও অসম্পূর্ণ কোভ্যালেন্ট বন্ধন বা গর্ত নেই যাতে এটি পুনরায় সংযুক্ত হতে পারে। এই মুক্ত ইলেকট্রনগুলি সেমিকন্ডাক্টরে সর্বদা প্রবাহ পরিচালনের জন্য প্রস্তুত থাকে। যদিও মুক্ত ইলেকট্রনের সংখ্যা অনেক, তবুও পদার্থটি তাপবৈদ্যুতিকভাবে নিরপেক্ষ থাকে কারণ ক্রিস্টাল গঠনের মধ্যে আবদ্ধ ধনাত্মক ফসফরাস আয়নের সংখ্যা এবং তাদের থেকে বেরিয়ে আসা মুক্ত ইলেকট্রনের সংখ্যা সমান। সেমিকন্ডাক্টরে দূষণকারী পদার্থ যোগ করার প্রক্রিয়াকে ডোপিং বলা হয়, এবং ডোপ করা দূষণকারী পদার্থগুলিকে ডোপ্যান্ট বলা হয়। যে পেন্টাভ্যালেন্ট ডোপ্যান্ট তাদের পঞ্চম মুক্ত ইলেকট্রন সেমিকন্ডাক্টর ক্রিস্টালে দান করে তাদেরকে দাতা বলা হয়। দাতা দূষণকারী দ্বারা ডোপ করা সেমিকন্ডাক্টরকে n-ধরন বা নেতিবাচক ধরনের সেমিকন্ডাক্টর বলা হয় কারণ এতে প্রচুর মুক্ত ইলেকট্রন থাকে যারা প্রকৃতিতে নেতিবাচক চার্জযুক্ত।

যখন পেন্টাভ্যালেন্ট ফসফরাস পরমাণুর পরিবর্তে বোরন এর মতো ত্রিভ্যালেন্ট দূষণকারী পরমাণু একটি সেমিকন্ডাক্টর ক্রিস্টালে যোগ করা হয়, তখন বিপরীত ধরনের সেমিকন্ডাক্টর তৈরি হয়। এই ক্ষেত্রে, ক্রিস্টাল ল্যাটিসের কিছু সিলিকন পরমাণু বোরন পরমাণু দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয়, অন্য কথায়, বোরন পরমাণুগুলি প্রতিস্থাপিত সিলিকন পরমাণুর স্থানগুলিতে ল্যাটিস গঠনে অধিকার করে। বোরন পরমাণুর তিনটি ভ্যালেন্স ইলেকট্রন তিনটি সন্নিহিত সিলিকন পরমাণুর ভ্যালেন্স ইলেকট্রনের সাথে যুক্ত হয় তিনটি সম্পূর্ণ কোভ্যালেন্ট বন্ধন তৈরি করতে। এই কনফিগারেশনের কারণে, প্রতিটি বোরন পরমাণুর জন্য একটি সিলিকন পরমাণু থাকবে, যার চতুর্থ ভ্যালেন্স ইলেকট্রন তার চতুর্থ কোভ্যালেন্ট বন্ধন সম্পূর্ণ করার জন্য কোনও সন্নিহিত ভ্যালেন্স ইলেকট্রন পাবে না। তাই এই সিলিকন পরমাণুর চতুর্থ ভ্যালেন্স ইলেকট্রন অসম্পূর্ণ থাকে এবং একটি অসম্পূর্ণ বন্ধন হিসাবে আচরণ করে। তাই এই অসম্পূর্ণ বন্ধনে একটি ইলেকট্রনের অভাব থাকবে, এবং এই অসম্পূর্ণ বন্ধন সবসময় এই অভাব পূরণ করার জন্য ইলেকট্রন আকর্ষণ করে। এইভাবে, একটি ইলেকট্রন বসার জন্য একটি শূন্যস্থান থাকে।

এই শূন্যস্থান ধারণাগতভাবে ধনাত্মক গর্ত নামে পরিচিত। একটি ত্রিভ্যালেন্ট দূষণকারী দ্বারা ডোপ করা সেমিকন্ডাক্টরে, অনেক সংখ্যক কোভ্যালেন্ট বন্ধন অনবরতভাবে ভেঙে অন্য অসম্পূর্ণ কোভ্যালেন্ট বন্ধন সম্পূর্ণ করতে। যখন একটি বন্ধন ভেঙে যায়, তখন তাতে একটি গর্ত তৈরি হয়। যখন একটি বন্ধন সম্পূর্ণ হয়, তখন তাতে গর্ত অদৃশ্য হয়। এইভাবে, একটি গর্ত অদৃশ্য হলে অন্য একটি গর্ত তৈরি হয়। এইভাবে গর্তগুলি সেমিকন্ডাক্টর ক্রিস্টালের মধ্যে আপেক্ষিক গতি পায়। এই দৃষ্টিকোণ থেকে, গর্তগুলিও সেমিকন্ডাক্টর ক্রিস্টালের মধ্যে মুক্ত ইলেকট্রনের মতো মুক্তভাবে চলাচল করতে পারে বলা যেতে পারে। যেহেতু প্রতিটি গর্ত একটি ইলেকট্রন গ্রহণ করতে পারে, তাই ত্রিভ্যালেন্ট দূষণকারী গুলিকে গ্রহণকারী ডোপ্যান্ট বলা হয় এবং গ্রহণকারী ডোপ্যান্ট দ্বারা ডোপ করা সেমিকন্ডাক্টরকে p-ধরন বা ধনাত্মক ধরনের সেমিকন্ডাক্টর বলা হয়।

n-ধরনের সেমিকন্ডাক্টরে মুক্ত ইলেকট্রন মূলত নেতিবাচক চার্জ বহন করে এবং p-ধরনের সেমিকন্ডাক্টরে গর্তগুলি মূলত ধনাত্মক চার্জ বহন করে, তাই n-ধরনের সেমিকন্ডাক্টরের মুক্ত ইলেকট্রন এবং p-ধরনের সেমিকন্ডাক্টরের মুক্ত গর্তগুলিকে যথাক্রমে n-ধরন এবং p-ধরনের সেমিকন্ডাক্টরে মুখ্য বহনকারী বলা হয়।

n-ধরন এবং p-ধরনের পদার্থের মধ্যে সবসময় একটি পটেনশিয়াল বাধা থাকে। এই পটেনশিয়াল বাধা ফটোভোলটাইক বা সৌর সেলের কাজের জন্য অপরিহার্য। যখন n-ধরনের সেমিকন্ডাক্টর এবং p-ধরনের সেমিকন্ডাক্টর পরস্পর সংযুক্ত হয়, তখন n-ধরনের সেমিকন্ডাক্টরের সংযুক্ত পৃষ্ঠার কাছাকাছি মুক্ত ইলেকট্রনগুলি p-ধরনের পদার্থের প্রতিবেশী গর্তগুলিতে প্রবেশ করে পুনর্মিলিত হয়। শুধুমাত্র মুক্ত ইলেকট্রন নয়, কিন্তু n-ধরনের পদার্থের সংযুক্ত পৃষ্ঠার কাছাকাছি কোভ্যালেন্ট বন্ধন থেকে ইলেকট্রনগুলি বেরিয়ে আসে এবং p-ধরনের সেমিকন্ডাক্টরের আরও প্রতিবেশী গর্তগুলিতে পুনর্মিলিত হয়। কোভ্যালেন্ট বন্ধন ভেঙে যাওয়ার ফলে, n-ধরনের পদার্থের সংযুক্ত পৃষ্ঠার কাছাকাছি কিছু গর্ত তৈরি হয়। তাই, সংযুক্ত অঞ্চলের কাছাকাছি, p-ধরনের পদার্থের গর্তগুলি পুনর্মিলিত হওয়ার ফলে অদৃশ্য হয়, অন্যদিকে n-ধরনের পদার্থের কাছাকাছি একই সংযুক্ত অঞ্চলে গর্তগুলি তৈরি হয়। এটি প্রায় সমতুল্য হয় p-ধরন থেকে n-ধরনের সেমিকন্ডাক্টরে গর্তগুলির স্থানান্তরের সাথে। তাই, যখন n-ধরনের একটি সেমিকন্ডাক্টর এবং p-ধরনের একটি সেমিকন্ডাক্টর সংযুক্ত হয়, n-ধরন থেকে ইলেকট্রনগুলি p-ধরনে স্থানান্তরিত হয় এবং p-ধরন থেকে গর্তগ