सौर सेल या फोटोवोल्टेक सेल की कार्यप्रणाली

प्रकाश ऊर्जा के विद्युत ऊर्जा में परिवर्तन एक घटना पर आधारित है जिसे फोटोवोल्टेक इफेक्ट कहा जाता है। जब अर्धचालक सामग्री को प्रकाश के संपर्क में लाया जाता है, तो प्रकाश की कुछ फोटॉन अर्धचालक क्रिस्टल द्वारा अवशोषित हो जाते हैं, जिससे क्रिस्टल में मुक्त इलेक्ट्रॉनों की एक महत्वपूर्ण संख्या बनती है। यह ही फोटोवोल्टेक इफेक्ट के कारण विद्युत उत्पादन का मूल कारण है। फोटोवोल्टेक सेल वह मूल इकाई है जहाँ फोटोवोल्टेक इफेक्ट का उपयोग प्रकाश ऊर्जा से विद्युत उत्पादन के लिए किया जाता है। सिलिकॉन सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली अर्धचालक सामग्री है जिससे फोटोवोल्टेक सेल बनाया जाता है। सिलिकॉन परमाणु के पास चार वालेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं। ठोस क्रिस्टल में, प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु अपने चार वालेंस इलेक्ट्रॉनों को अपने निकटतम सिलिकॉन परमाणु के साथ साझा करता है, जिससे उनके बीच कोवेलेंट बंध बनते हैं। इस प्रकार, सिलिकॉन क्रिस्टल एक टेट्राहेड्रल ग्रिड संरचना प्राप्त करता है। जब प्रकाश किरण किसी सामग्री पर प्रहार करती है, तो प्रकाश का कुछ भाग परावर्तित होता है, कुछ भाग सामग्री के माध्यम से प्रवेश करता है और शेष सामग्री द्वारा अवशोषित हो जाता है।

जब प्रकाश सिलिकॉन क्रिस्टल पर पड़ता है, तो वही चीज होती है। यदि आपतित प्रकाश की तीव्रता पर्याप्त रहती है, तो क्रिस्टल द्वारा पर्याप्त संख्या में फोटॉन अवशोषित हो जाते हैं और ये फोटॉन, अपनी बार में, कोवेलेंट बंधों के कुछ इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करते हैं। इन उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड से संचालन बैंड तक प्रवासित होने के लिए पर्याप्त ऊर्जा मिलती है। चूंकि इन इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा स्तर संचालन बैंड में होता है, वे कोवेलेंट बंध से छूटते हैं और प्रत्येक हटाए गए इलेक्ट्रॉन के पीछे बंध में एक छेद छोड़ देते हैं। इन्हें मुक्त इलेक्ट्रॉन कहा जाता है जो सिलिकॉन के क्रिस्टल संरचना के अंदर यादृच्छिक रूप से गतिशील होते हैं। इन मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छेदों की फोटोवोल्टेक सेल में विद्युत उत्पादन करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका होती है। इन इलेक्ट्रॉनों और छेदों को प्रकाश-जनित इलेक्ट्रॉन और छेद कहा जाता है। ये प्रकाश-जनित इलेक्ट्रॉन और छेद अकेले सिलिकॉन क्रिस्टल में विद्युत उत्पादन नहीं कर सकते। इसके लिए कुछ अतिरिक्त तंत्र की आवश्यकता होती है।

जब सिलिकॉन में फास्फोरस जैसी पंचवालेंस विकारी सामग्री जोड़ी जाती है, तो प्रत्येक पंचवालेंस फास्फोरस परमाणु के चार वालेंस इलेक्ट्रॉन चार पड़ोसी सिलिकॉन परमाणुओं के साथ कोवेलेंट बंध के माध्यम से साझा किए जाते हैं, और पांचवां वालेंस इलेक्ट्रॉन को कोई अवसर नहीं मिलता कोवेलेंट बंध बनाने का।

इस पांचवें इलेक्ट्रॉन को अपने माता परमाणु से अपेक्षाकृत ढीला बंध होता है। यहाँ, कमरे के ताप पर, क्रिस्टल में उपलब्ध ऊष्मीय ऊर्जा पर्याप्त होती है इन अपेक्षाकृत ढीले पांचवें इलेक्ट्रॉनों को अपने माता फास्फोरस परमाणु से अलग करने के लिए। जब यह पांचवा अपेक्षाकृत ढीला इलेक्ट्रॉन अपने माता फास्फोरस परमाणु से अलग हो जाता है, तो फास्फोरस परमाणु निश्चित धनात्मक आयन बन जाता है। यह अलग होने वाला इलेक्ट्रॉन मुक्त हो जाता है, लेकिन क्रिस्टल में किसी अधूरे कोवेलेंट बंध या छेद को फिर से जोड़ने के लिए कोई स्थान नहीं होता। ये मुक्त इलेक्ट्रॉन, जो पंचवालेंस विकारी से आते हैं, सेमीकंडक्टर में धारा का चालन करने के लिए हमेशा तैयार रहते हैं। यद्यपि मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या बहुत होती है, फिर भी पदार्थ विद्युतीय रूप से तटस्थ रहता है, क्योंकि क्रिस्टल संरचना में बंद धनात्मक फास्फोरस आयनों की संख्या मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बराबर होती है। अर्धचालक में विकारी सामग्री डालने की प्रक्रिया को डोपिंग कहा जाता है, और डोपिंग की गई विकारी सामग्री को डोपंट्स कहा जाता है। वे पंचवालेंस डोपंट्स जो अर्धचालक क्रिस्टल को अपने पांचवें मुक्त इलेक्ट्रॉन देते हैं, उन्हें दाता कहा जाता है। दाता विकारी से डोपिंग किए गए अर्धचालकों को n-प्रकार या ऋणात्मक प्रकार के अर्धचालक कहा जाता है, क्योंकि उनमें बहुत सारे मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो प्रकृति में ऋणात्मक आवेशित होते हैं।

जब पंचवालेंस फास्फोरस परमाणुओं के बजाय ट्रायवालेंस विकारी परमाणु जैसे बोरोन को अर्धचालक क्रिस्टल में जोड़ा जाता है, तो विपरीत प्रकार का अर्धचालक बनता है। इस मामले में, क्रिस्टल ग्रिड में कुछ सिलिकॉन परमाणु बोरोन परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापित हो जाते हैं, दूसरे शब्दों में, बोरोन परमाणु ग्रिड संरचना में प्रतिस्थापित सिलिकॉन परमाणुओं के स्थानों पर बैठ जाते हैं। बोरोन परमाणु के तीन वालेंस इलेक्ट्रॉन तीन पड़ोसी सिलिकॉन परमाणुओं के वालेंस इलेक्ट्रॉनों के साथ तीन पूर्ण कोवेलेंट बंध बनाते हैं। इस विन्यास के लिए, प्रत्येक बोरोन परमाणु के लिए एक सिलिकॉन परमाणु होता है, जिसका चौथा वालेंस इलेक्ट्रॉन अपने चौथे कोवेलेंट बंध को पूरा करने के लिए किसी पड़ोसी वालेंस इलेक्ट्रॉन को नहीं मिलता। इसलिए इन सिलिकॉन परमाणुओं का यह चौथा वालेंस इलेक्ट्रॉन अपूर्ण बंध की तरह व्यवहार करता है। इस प्रकार, अपूर्ण बंध में एक इलेक्ट्रॉन की कमी होती है, और अपूर्ण बंध हमेशा इलेक्ट्रॉन को इस कमी को पूरा करने के लिए आकर्षित करता है। इस प्रकार, इलेक्ट्रॉन के बैठने के लिए एक रिक्त स्थान होता है।

इस रिक्त स्थान को धारणात्मक रूप से धनात्मक छेद कहा जाता है। ट्रायवालेंस विकारी डोपिंग वाले अर्धचालक में, एक महत्वपूर्ण संख्या में कोवेलेंट बंध लगातार तोड़े जाते हैं ताकि अन्य अपूर्ण कोवेलेंट बंध पूरे हो सकें। जब एक बंध टूटता है, तो उसमें एक छेद बनता है। जब एक बंध पूरा होता है, तो उसमें छेद गायब हो जाता है। इस प्रकार, एक छेद अपने पड़ोसी छेद के साथ गायब होता जाता है। इस प्रकार, छेद अर्धचालक क्रिस्टल के अंदर सापेक्ष गति रखते हैं। इस दृष्टिकोण से, कहा जा सकता है कि छेद भी मुक्त इलेक्ट्रॉनों की तरह स्वतंत्र रूप से अर्धचालक क्रिस्टल के अंदर गति प्राप्त कर सकते हैं। क्योंकि प्रत्येक छेद एक इलेक्ट्रॉन को स्वीकार कर सकता है, इसलिए ट्रायवालेंस विकारी को अस्वीकर्ता डोपंट्स कहा जाता है और अस्वीकर्ता डोपंट्स से डोपिंग किए गए अर्धचालकों को p-प्रकार या धनात्मक प्रकार के अर्धचालक कहा जाता है।

n-प्रकार के अर्धचालक में मुख्य रूप से मुक्त इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक आवेश ले जाते हैं और p-प्रकार के अर्धचालक में मुख्य रूप से छेद धनात्मक आवेश ले जाते हैं, इसलिए n-प्रकार के अर्धचालक में मुक्त इलेक्ट्रॉन और p-प्रकार के अर्धचालक में मुक्त छेद क्रमशः n-प्रकार और p-प्रकार के अर्धचालक में बहुसंख्यक चालक कहे जाते हैं।

n-प्रकार और p-प्रकार की सामग्री के बीच हमेशा एक संभाव्य बाधा होती है। यह संभाव्य बाधा फोटोवोल्टेक या सौर सेल के कार्य के लिए आवश्यक है। जब n-प्रकार अर्धचालक और p-प्रकार अर्धचालक एक दूसरे से संपर्क करते हैं, तो n-प्रकार अर्धचालक के संपर्क सतह के पास के मुक्त इलेक्ट्रॉन p-प्रकार सामग्री के निकटतम छेदों को प्राप्त करते हैं। इसलिए n-प्रकार अर्धचालक के संपर्क सतह के पास के मुक्त इलेक्ट्रॉन p-प्रकार सामग्री के निकटतम छेदों के साथ पुनर्योजन करते हैं। न केवल मुक्त इलेक्ट्रॉन, बल्कि n-प्रकार सामग्री के संपर्क सतह के पास के वालेंस इलेक्ट्रॉन भी कोवेलेंट बंध से बाहर निकलते हैं और p-प्रकार अर्धचालक में अधिक निकटतम छेदों के साथ पुनर्योजन करते हैं। कोवेलेंट बंध टूटने के कारण, n-प्रकार सामग्री के संपर्क सतह के पास कई छेद बनते हैं। इसलिए, संपर्क क्षेत्र के पास, p-प्रकार सामग्री में छेद पुनर्योजन के कारण गायब हो जाते हैं, जबकि n-प्रकार सामग्री में समान संपर्क क्षेत्र के पास छेद दिखाई देते हैं। यह छेदों के p-प्रकार से n-प्रकार अर्धचालक में प्रवास के तुल्य है। इसलिए, जैसे ही एक n-प्रकार अर्धचालक और एक p-प्रकार अर्धचालक संपर्क करते हैं, n-प्रकार से इलेक्ट्रॉन p-प्रकार में और p-प्रकार से छेद n-प्रकार में ट्रांसफर होते हैं। यह प्रक्रिया बहुत तेज है, लेकिन अनंत तक नहीं जारी रहती। कुछ क्षणों के बाद, p-प्रकार अर्धचालक के संपर्क सतह के निकट एक ऋणात्मक आवेश (अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन) की परत बन जाती है। इसी तरह, n-प्रकार अर्धचालक के संपर्क सतह के निकट एक धनात्मक आवेश (धनात्मक आयन) की परत बन जाती है। इन ऋणात्मक और धनात्मक आवेश परतों की मोटाई एक निश्चित सीमा तक बढ़ती है, लेकिन उसके बाद, और अधिक इलेक्ट्रॉन n-प्रकार अर्धचालक से p-प्रकार अर्धचालक में प्रवास नहीं करेंगे। इसका कारण यह है कि, जब n-प्रकार अर्धचालक का कोई इलेक्ट्रॉन p-प्रकार अर्धचालक पर प्रवास करने की कोशिश करता है, तो वह n-प्रकार अर्धचालक में एक पर्याप्त मोटी धनात्मक आयन की परत का सामना करता ह