Principiul de funcționare al celulei solare sau a celulei fotovoltaice

نوری جو توانائی کو برقی توانائی میں تبدیل کرنے کا اصول فوٹولیکٹرک اثر کہلاتا ہے۔ جب سیمی کانڈکٹر مواد کو روشنی کا سامنا ہوتا ہے، تو روشنی کے کچھ فوٹونز سیمی کانڈکٹر کریسٹل کی طرف سے جذب ہوتے ہیں جس کی وجہ سے کریسٹل میں آزاد الکترون کی تعداد میں اضافہ ہوتا ہے۔ یہ فوٹولیکٹرک اثر کی وجہ سے برقی توانائی کی پیداوار کا بنیادی سبب ہے۔ فوٹولیکٹرک سیل وہ بنیادی یونٹ ہے جہاں فوٹولیکٹرک اثر استعمال کرتے ہوئے نوری توانائی کو برقی توانائی میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ سلیکون سیمی کانڈکٹر کا سب سے زیادہ استعمال شدہ مواد ہے جس کو فوٹولیکٹرک سیل بنانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ سلیکون اتم کے چار والنس الکترون ہوتے ہیں۔ صلیب کریسٹل میں ہر سلیکون اتم اپنے چار والنس الکترون کو دوسرے قریب سلیکون اتم کے ساتھ شیر کرتا ہے جس سے ان کے درمیان کوالینٹ بانڈ پیدا ہوتے ہیں۔ اس طرح سلیکون کریسٹل کو ٹیٹراہیڈرل لیٹس ڈھانچہ ملتا ہے۔ جب کوئی روشنی کسی مواد پر پڑتی ہے تو کچھ حصہ روشنی منعکس ہوتی ہے، کچھ حصہ مواد کے ذریعے منتقل ہوتا ہے اور باقی حصہ مواد کے ذریعے جذب ہوتا ہے۔

جب روشنی سلیکون کریسٹل پر پڑتی ہے تو ایک ہی چیز ہوتی ہے۔ اگر پڑنے والی روشنی کی شدت کافی ہو تو کافی تعداد میں فوٹونز کریسٹل کے ذریعے جذب ہوتے ہیں اور یہ فوٹونز، اپنی باری میں، کوالینٹ بانڈ کے کچھ الکترون کو بھیج دیتے ہیں۔ ان بھیجنے والے الکترون پھر کافی توانائی حاصل کرتے ہیں تاکہ والنس بینڈ سے کنڈکشن بینڈ میں منتقل ہوسکیں۔ جب ان الکترون کی توانائی کنڈکشن بینڈ میں ہوتی ہے تو وہ کوالینٹ بانڈ سے چھوٹ جاتے ہیں اور ہر ہٹنے والے الکترون کے پیچھے کوالینٹ بانڈ میں ایک خالی جگہ چھوڑ دیتے ہیں۔ ان کو آزاد الکترون کہا جاتا ہے جو سلیکون کریسٹل کے درمیان عشوائی طور پر چلتے ہیں۔ ان آزاد الکترون اور خالی جگہوں کا فوٹولیکٹرک سیل میں برقی توانائی پیدا کرنے میں ایک اہم کردار ہوتا ہے۔ ان الکترون اور خالی جگہوں کو روشنی سے پیدا ہونے والے الکترون اور خالی جگہیں کہا جاتا ہے۔ ان روشنی سے پیدا ہونے والے الکترون اور خالی جگہوں کو سلیکون کریسٹل میں تنها برقی توانائی پیدا نہیں کر سکتے۔ اس کے لیے کچھ اضافی مکانیکی کی ضرورت ہوتی ہے۔

جب سلیکون میں فسفر جیسے پینٹا ویلینٹ غیر خالص عنصر کا اضافہ کیا جاتا ہے تو ہر پینٹا ویلینٹ فسفر اتم کے چار والنس الکترون کوالینٹ بانڈ کے ذریعے چار پڑوسی سلیکون اتم کے ساتھ شیر کرتے ہیں اور پانچواں والنس الکترون کوالینٹ بانڈ بنانے کا کوئی موقع نہیں ملتا۔

یہ پانچواں الکترون پھر نسبتاً کمزور طور پر اپنے مادری اتم کے ساتھ بانڈ ہوتا ہے۔ یہاں تک کہ کمرہ درجہ حرارت پر، کریسٹل میں موجود گرمائشی توانائی کافی ہوتی ہے تاکہ ان نسبتاً کمزور پانچواں الکترون کو اپنے مادری فسفر اتم سے جدا کر سکے۔ جب یہ پانچواں نسبتاً کمزور الکترون اپنے مادری فسفر اتم سے جدا ہوتا ہے تو فسفر اتم غیر متحرک مثبت آئنز بناتا ہے۔ کہا جاتا ہے کہ یہ جدا ہونے والا الکترون آزاد ہوجاتا ہے لیکن کریسٹل میں کوئی ناقص کوالینٹ بانڈ یا خالی جگہ نہیں ہوتی جہاں یہ دوبارہ مل سکے۔ ان آزاد الکترون کو پینٹا ویلینٹ غیر خالص عنصر سے آئے ہوتے ہیں اور یہ سیمی کانڈکٹر میں کرنٹ کا آرام سے کنڈکٹ کرنے کے لیے ہمیشہ تیار رہتے ہیں۔ حالانکہ آزاد الکترون کی تعداد کافی ہوتی ہے، لیکن مادہ برقی طور پر نیٹرل ہوتا ہے کیونکہ کریسٹل کے اندر قفل شدہ مثبت فسفر آئنز کی تعداد بالکل اتنی ہوتی ہے جتنی کہ ان کے ذریعے باہر آنے والے آزاد الکترون کی تعداد ہوتی ہے۔ سیمی کانڈکٹر میں غیر خالص عنصر کا اضافہ کرنے کا عمل ڈوپنگ کہلاتا ہے اور ڈوپ کیے گئے غیر خالص عناصر کو ڈوپنٹس کہا جاتا ہے۔ پینٹا ویلینٹ ڈوپنٹس جو اپنا پانچواں آزاد الکترون سیمی کانڈکٹر کریسٹل کو دیتے ہیں ان کو ڈونرز کہا جاتا ہے۔ ڈونر گیر غیر خالص عناصر سے ڈوپ کیے گئے سیمی کانڈکٹر کو n-ٹائپ یا منفی ٹائپ سیمی کانڈکٹر کہا جاتا ہے کیونکہ ان میں آزاد الکترون کی تعداد کافی ہوتی ہے جو بطور طبیعت سے منفی چارج ہوتے ہیں۔

جب پینٹا ویلینٹ فسفر اتم کے بجائے بورن جیسے ٹری ویلینٹ غیر خالص عناصر کو سیمی کانڈکٹر کریسٹل میں شامل کیا جاتا ہے تو مخالف قسم کا سیمی کانڈکٹر بنایا جاتا ہے۔ اس صورتحال میں کریسٹل لیٹس میں کچھ سلیکون اتم بورن اتم کے ذریعے تبدیل ہوتے ہیں، دوسرے الفاظ میں کہا جائے تو بورن اتم کریسٹل لیٹس کے ڈھانچے میں تبدیل سلیکون اتم کے مقام پر آتے ہیں۔ بورن اتم کے تین والنس الکترون تین پڑوسی سلیکون اتم کے والنس الکترون کے ساتھ کمال کوالینٹ بانڈ بناتے ہیں۔ اس ترتیب کے لیے ہر بورن اتم کے لیے ایک سلیکون اتم ہوتا ہے جس کا چوتھا والنس الکترون کسی پڑوسی والنس الکترون کو کمال کوالینٹ بانڈ بنانے کے لیے نہیں ملتا۔ اس لیے یہ سلیکون اتم کا چوتھا والنس الکترون ناقص بانڈ کی طرح رہتا ہے۔ اس لیے ناقص بانڈ میں الکترون کی کمی ہوتی ہے، اور اس لیے ناقص بانڈ ہمیشہ الکترون کو اپنی کمی کو پورا کرنے کے لیے کشش کرتا ہے۔ اس طرح الکترون کے لیے کوئی جگہ ہوتی ہے۔

یہ خالی جگہ مثبت خالی جگہ کہلاتی ہے۔ ٹری ویلینٹ غیر خالص عنصر کے ساتھ ڈوپ کیے گئے سیمی کانڈکٹر میں، کافی تعداد میں کوالینٹ بانڈ مکمل کرنے کے لیے مسلسل توڑ دیے جاتے ہیں۔ جب کوئی بانڈ توڑ دیا جاتا ہے تو اس میں ایک خالی جگہ بن جاتی ہے۔ جب کوئی بانڈ مکمل ہوتا ہے تو اس میں خالی جگہ گھٹ جاتی ہے۔ اس طرح ایک خالی جگہ نظر آتی ہے کہ ایک پڑوسی خالی جگہ گھٹ جاتی ہے۔ اس لیے خالی جگہوں کو سیمی کانڈکٹر کریسٹل کے درمیان نسبتاً حرکت ہوتی ہے۔ اس طرح، یہ کہا جاسکتا ہے کہ خالی جگہوں کو بھی سیمی کانڈکٹر کریسٹل کے درمیان آزاد الکترون کی طرح آزاد طور پر چلنے کی اجازت ہوتی ہے۔ چونکہ ہر خالی جگہ ایک الکترون قبول کر سکتی ہے، اس لیے ٹری ویلینٹ غیر خالص عناصر کو ایکسپٹر ڈوپنٹس کہا جاتا ہے اور ایکسپٹر گیر غیر خالص عناصر سے ڈوپ کیے گئے سیمی کانڈکٹر کو p-ٹائپ یا مثبت ٹائپ سیمی کانڈکٹر کہا جاتا ہے۔

n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر میں آزاد الکترون بنیادی طور پر منفی چارج رکھتے ہیں اور p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر میں خالی جگہیں مثبت چارج رکھتی ہیں۔ اس لیے n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر میں آزاد الکترون اور p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر میں آزاد خالی جگہیں کو n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر اور p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر میں میجریٹی کیریئر کہا جاتا ہے۔

n-ٹائپ اور p-ٹائپ مادہ کے درمیان ہمیشہ ایک پوٹینشل برار ہوتا ہے۔ یہ پوٹینشل برار فوٹولیکٹرک یا سورجی سیل کے کام کرنے کے لیے ضروری ہے۔ جب n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر اور p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر ایک دوسرے کے ساتھ ملا ہوتے ہیں تو n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر کے قریب سطح پر آزاد الکترون کو p-ٹائپ مادے کی قریب سطح پر موجود خالی جگہوں کا کافی تعداد ملتا ہے۔ اس لیے n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر کے قریب سطح پر آزاد الکترون p-ٹائپ مادے کی قریب سطح پر موجود خالی جگہوں میں جا کر مل جاتے ہیں۔ نہ صرف آزاد الکترون بلکہ n-ٹائپ مادے کے قریب سطح پر موجود والنس الکترون بھی کوالینٹ بانڈ سے باہر آتے ہیں اور p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر کی قریب سطح پر موجود خالی جگہوں کے ساتھ مل جاتے ہیں۔ جب کوالینٹ بانڈ توڑ دیے جاتے ہیں تو n-ٹائپ مادے کے قریب سطح پر خالی جگہوں کی تعداد بڑھ جاتی ہے۔ اس لیے، قریب سطح کے قریب، p-ٹائپ مادے میں خالی جگہیں ملنا کی وجہ سے غائب ہو جاتی ہیں اور n-ٹائپ مادے کے قریب سطح پر خالی جگہیں ظاہر ہوتی ہیں۔ یہ قریب سطح کے قریب خالی جگہوں کے سے p-ٹائپ سے n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر تک کی تحرک کے مساوی ہے۔ اس لیے جب ایک n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر اور ایک p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر ایک دوسرے کے ساتھ ملا ہوتے ہیں تو n-ٹائپ سے الکترون p-ٹائپ میں منتقل ہوتے ہیں اور p-ٹائپ سے خالی جگہیں n-ٹائپ میں منتقل ہوتی ہیں۔ یہ عمل بہت تیز ہوتا ہے لیکن ہمیشہ کے لیے جاری نہیں رہتا۔ کچھ لمحات کے بعد، p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر کے قریب سطح کے قریب مثبت چارج (اضافی الکترون) کا ایک لیئر بن جاتا ہے۔ اسی طرح n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر کے قریب سطح کے قریب مثبت چارج (مثبت آئنز) کا ایک لیئر بن جاتا ہے۔ مثبت اور منفی چارج کے لیئروں کی موٹائی کچھ حد تک بڑھتی ہے، لیکن اس کے بعد کوئی بھی الکترون n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر سے p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر تک منتقل نہیں ہوتا۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ جب کوئی n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر کا الکترون p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر کے اوپر منتقل ہونے کی کوشش کرتا ہے تو وہ n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر میں موجود کافی موٹا مثبت آئنز کا لیئر کا سامنا کرتا ہے جہاں وہ گرنے سے پہلے ہی رک جاتا ہے۔ اسی طرح خالی جگہیں p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر سے n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر تک منتقل نہیں ہوتیں۔ خالی جگہیں p-ٹائپ سیمی کانڈکٹر کے منفی لیئر کو پار کرنے کی کوشش کرتی ہیں تو وہ الکترون کے ساتھ مل جاتی ہیں اور n-ٹائپ علاقے کی جانب کوئی تحرک نہیں ہوتی۔

دوسرے الفاظ میں، p-ٹائپ طرف کا منفی چارج کا لیئر اور n-ٹائپ طرف کا مثبت چارج کا لیئر مل کر ایک برار بناتا ہے جو اپنی ایک طرف سے دوسری طرف تک کے کیریئر کے ملنا کو روکتا ہے۔ اسی طرح p-ٹائپ علاقے کی خالی جگہیں n-ٹائپ علاقے میں داخل ہونے سے روکی جاتی ہیں۔ مثبت اور منفی چارج کی وجہ سے علاقے کے پار ایک برقی میدان پیدا ہوتا ہے اور یہ علاقہ کو ڈپلیشن لیئر کہا جاتا ہے۔

اب سلیکون کریسٹل کے بارے میں بات کرتے ہیں۔ جب روشنی کا کرن کریسٹل پر پڑتا ہے تو روشنی کا کچھ حصہ کریسٹل کے ذریعے جذب ہوتا ہے، اور نتیجے میں کچھ والنس الکترون بھیجنے والے ہو جاتے ہیں اور کوالینٹ بانڈ سے باہر آتے ہیں جس کی وجہ سے آزاد الکترون-خالی جگہوں کا جوڑ پیدا ہوتا ہے۔

اگر روشنی n-ٹائپ سیمی کانڈکٹر پر پڑتی ہے تو روشنی سے پیدا ہونے والے الکترون-خالی جوڑوں کے الکترون p-ٹائپ علاقے کی طرف منتقل نہیں ہوسکتے کیونکہ وہ ڈپلیشن لیئر کے پار کے برقی میدان کی وجہ سے روک دیے جاتے ہیں۔ اسی وقت، روشنی سے پیدا ہونے والی خالی جگہیں ڈپلیشن لیئر کے برقی میدان کی وجہ سے کشش کے ذریعے p-ٹائپ علاقے کو پار کرتی ہیں جہاں وہ الکترون کے ساتھ مل جاتی ہیں، اور پھر یہاں الکترون کی کمی p-ٹائپ علاقے کے والنس الکترون کی طرف سے پوری کی جاتی ہے، اور یہ p-ٹائپ علاقے میں کئی خالی جگہوں کو پیدا کرتا ہے۔ اس طرح روشنی سے پیدا ہونے والی خالی جگہیں p-ٹائپ علاقے میں منتقل ہوتی ہیں جہاں وہ پھنس جاتی ہیں کیونکہ وہ n-ٹائپ علاقے میں واپس نہیں آسکتیں ڈپلیشن لیئر کی کشش کی وجہ سے۔

جب منفی چارج (روشنی سے پیدا ہونے والے الکترون) ایک طرف پھنس جاتا ہے اور مثبت چارج (روشنی سے پیدا ہونے والی خالی جگہیں) سیل کی دوسری طرف پھنس جاتا ہے تو سیل کی دونوں طرفوں کے درمیان ایک پوٹینشل فرق پیدا ہوتا ہے۔ یہ پوٹینشل فرق عام طور پر 0.5 V ہوتا ہے۔ یہ ہیں فوٹولیکٹرک سیلز یا سورجی سیلز کے ذریعے پوٹینشل فرق کی پیداوار کا طریقہ۔