ਸੋਲਰ ਸੈਲ ਜਾਂ ਫੋਟੋਵੋਲਟਾਈਕ ਸੈਲ ਦਾ ਕਾਰਯ ਤੱਤਰ

روشنی دی جو توان کو برقی توان میں تبدیل کرنا ایک پدھار کے نام سے جانا جاتا ہے جسے فوٹولیکٹک کہا جاتا ہے۔ جب نصف موصل مواد کو روشنی کے سامنے رکھا جاتا ہے، تو روشنی کے کچھ فوٹونز نصف موصل کے کریستل میں قبول ہوتے ہیں جس سے کریستل میں آزاد الیکٹرانز کی تعداد میں اضافہ ہوتا ہے۔ یہ ہی فوٹولیکٹک کے ذریعے برقی توان کے پیدا ہونے کا بنیادی سبب ہے۔ فوٹولیکٹک سیل وہ بنیادی یونٹ ہے جہاں فوٹولیکٹک کا استعمال روشنی کی توان کو برقی توان میں تبدیل کرنے کے لئے کیا جاتا ہے۔ سلیکون نصف موصل مواد کے طور پر فوٹولیکٹک سیل بنانے کے لئے سب سے زیادہ استعمال ہونے والا مواد ہے۔ سلیکون کے اتم میں چار ویلنس الیکٹران ہوتے ہیں۔ جامد کریستل میں ہر سلیکون اتم اپنے چار ویلنس الیکٹرانز کو دوسرے نزدیک ترین سلیکون اتم کے ساتھ شیئر کرتا ہے جس سے ان کے درمیان کووالنٹ بند بناتا ہے۔ اس طرح سلیکون کریستل کو ٹیٹراہیڈرل جالی خانہ کی ساخت حاصل ہوتی ہے۔ جب کوئی روشنی کا ریز کسی مواد پر گرتا ہے تو کچھ حصہ ان Moose کے دیوار سے منعکس ہوتا ہے، کچھ حصہ مواد کے ذریعے منتقل ہوتا ہے اور باقی حصہ مواد کے ذریعے قبول ہوتا ہے۔

جب روشنی سلیکون کے کریستل پر گرتی ہے تو یہی چیز ہوتی ہے۔ اگر آمدی روشنی کی شدت کافی زیادہ ہے تو کافی تعداد میں فوٹونز کریستل کے ذریعے قبول ہوتے ہیں اور ان فوٹونز کی وجہ سے کووالنٹ بند کے کچھ الیکٹرانز کو تحریک ہوتی ہے۔ یہ تحریک یافتہ الیکٹرانز پھر کافی توان حاصل کرتے ہیں تاکہ ویلنس بینڈ سے کنڈکشن بینڈ میں منتقل ہوسکیں۔ جب یہ الیکٹرانز کنڈکشن بینڈ میں ہوتے ہیں تو وہ کووالنٹ بند سے چلا جاتے ہیں اور ہر ہٹنے والے الیکٹران کے پیچھے بند میں ایک سوراخ چھوڑ دیتے ہیں۔ ان کو آزاد الیکٹران کہا جاتا ہے جو سلیکون کی کریستل ساخت کے اندر بے ترتیب حرکت کرتے ہیں۔ یہ آزاد الیکٹران اور سوراخ فوٹولیکٹک سیل میں برقی توان کے پیدا ہونے میں اہم کردار ادا کرتے ہیں۔ اس لئے ان الیکٹران اور سوراخ کو روشنی سے پیدا ہونے والے الیکٹران اور سوراخ کہا جاتا ہے۔ یہ روشنی سے پیدا ہونے والے الیکٹران اور سوراخ سلیکون کریستل کے اندر تنہا برقی توان نہیں پیدا کرسکتے۔ اس کے لئے کچھ اضافی مکانیکیات کی ضرورت ہوتی ہے۔

جب سلیکون میں پینٹاولینٹ امیچر جیسے فاسفورس کا اضافہ کیا جاتا ہے تو ہر پینٹاولینٹ فاسفورس اتم کے چار ویلنس الیکٹرانز کووالنٹ بند کے ذریعے چار نزدیک سلیکون اتموں کے ساتھ شیئر کرتے ہیں، پانچواں ویلنس الیکٹران کو کووالنٹ بند بنانے کا کوئی موقع نہیں ملتا۔

یہ پانچواں الیکٹران پھر اپنے ماں اتم کے ساتھ نسبتاً کمزور بند ہوتا ہے۔ غرفے کے درجے حرارت پر بھی کریستل میں دستیاب گرمائشی توان کافی ہوتی ہے تاکہ یہ نسبتاً کمزور پانچواں الیکٹران اپنے ماں فاسفورس اتم سے جدا ہو سکے۔ جب یہ پانچواں نسبتاً کمزور الیکٹران اپنے ماں فاسفورس اتم سے جدا ہوتا ہے تو فاسفورس اتم مستحکم مثبت یون کا روپ دھار لیتا ہے۔ یہ کہا گیا ہے کہ یہ جدا ہونے والے الیکٹران آزاد ہو گئے ہیں لیکن ان کے پاس کریستل میں دوبارہ منسلک ہونے کے لئے کوئی ناقص کووالنٹ بند یا سوراخ نہیں ہے۔ یہ آزاد الیکٹران پینٹاولینٹ امیچر سے آتے ہیں اور نصف موصل میں کرنٹ کی روانگی کے لئے ہمیشہ تیار ہوتے ہیں۔ اگرچہ کافی تعداد میں آزاد الیکٹران ہوتے ہیں، لیکن مادہ برقی طور پر غیر جارج ہوتا ہے کیونکہ کریستل کی ساخت کے اندر قفل شدہ مثبت فاسفورس یون کی تعداد آزاد ہونے والے الیکٹران کی تعداد کے برابر ہوتی ہے۔ نصف موصل میں امیچر کا اضافہ کرنے کا عمل ڈوپنگ کہلاتا ہے اور ڈوپ کیے گئے امیچر کو ڈوپنٹ کہا جاتا ہے۔ وہ پینٹاولینٹ ڈوپنٹ جو اپنا پانچواں آزاد الیکٹران نصف موصل کریستل کو دیتے ہیں ان کو ڈونرز کہا جاتا ہے۔ ڈونر امیچر سے ڈوپ ہونے والے نصف موصل کو n-ٹائپ یا منفی ٹائپ نصف موصل کہا جاتا ہے کیونکہ ان میں کافی تعداد میں آزاد الیکٹران ہوتے ہیں جو ذاتی طور پر منفی باردار ہوتے ہیں۔

جب پینٹاولینٹ فاسفورس اتم کے بجائے ٹریولینٹ امیچر اتم جیسے بورون کو نصف موصل کریستل میں شامل کیا جاتا ہے تو مخالف ٹائپ کا نصف موصل بنایا جاتا ہے۔ اس صورتحال میں کریستل جالی کے کچھ سلیکون اتموں کو بورون اتموں کے ذریعے تبدیل کیا جاتا ہے، دوسرے الفاظ میں، بورون اتم جالی کے ساخت میں تبدیل ہونے والے سلیکون اتموں کی جگہ لے لیتے ہیں۔ بورون اتم کے تین ویلنس الیکٹرانز تین نزدیک سلیکون اتموں کے ویلنس الیکٹرانز کے ساتھ جوڑتے ہیں تاکہ تین مکمل کووالنٹ بند بنائے جا سکیں۔ اس ترتیب کے لئے ہر بورون اتم کے لئے ایک سلیکون اتم ہوتا ہے جس کا چوتھا ویلنس الیکٹران کسی نزدیک ویلنس الیکٹران کو مکمل کرنے کے لئے نہیں ملتا۔ اس لئے یہ سلیکون اتموں کا چوتھا ویلنس الیکٹران ناقص بند کے طور پر رہ جاتا ہے۔ اس طرح ناقص بند میں الیکٹران کی کمی ہوتی ہے، اور ناقص بند ہمیشہ یہ کمی پوری کرنے کے لئے الیکٹران کو متاثر کرتا ہے۔ اس طرح یہاں الیکٹران کے لئے ایک خالی جگہ ہوتی ہے۔

یہ خالی جگہ مفہومی طور پر مثبت سوراخ کہلاتی ہے۔ ٹریولینٹ امیچر سے ڈوپ ہونے والے نصف موصل میں کافی تعداد میں کووالنٹ بند مکمل کرنے کے لئے ناقص کووالنٹ بند کو مکمل کرنے کے لئے مسلسل توڑ ہوتے ہیں۔ جب کوئی بند توڑ ہوتا ہے تو اس میں ایک سوراخ پیدا ہوتا ہے۔ جب کوئی بند مکمل ہوتا ہے تو اس میں موجود سوراخ غائب ہو جاتا ہے۔ اس طرح ایک سوراخ کی نظریہ میں دوسرے نزدیک سوراخ کی طرف سے غائب ہوتا ہے۔ اس طرح سوراخ نصف موصل کریستل کے اندر نسبتاً حرکت کرتے ہیں۔ اس نظریہ کے مطابق یہ کہا جا سکتا ہے کہ سوراخ بھی نصف موصل کریستل کے اندر آزاد الیکٹران کی طرح آزاد رہ سکتے ہیں۔ چونکہ ہر سوراخ ایک الیکٹران قبول کر سکتا ہے، اس لئے ٹریولینٹ امیچر کو قبول کنندہ ڈوپنٹ کہا جاتا ہے اور قبول کنندہ ڈوپنٹ سے ڈوپ ہونے والے نصف موصل کو p-ٹائپ یا مثبت ٹائپ نصف موصل کہا جاتا ہے۔

n-ٹائپ نصف موصل میں بنیادی طور پر آزاد الیکٹران منفی باردار ہوتے ہیں اور p-ٹائپ نصف موصل میں بنیادی طور پر سوراخ مثبت باردار ہوتے ہیں، لہذا n-ٹائپ نصف موصل میں آزاد الیکٹران اور p-ٹائپ نصف موصل میں آزاد سوراخ کو n-ٹائپ نصف موصل اور p-ٹائپ نصف موصل میں کے لئے اکثریتی کیریئر کہا جاتا ہے۔

ہمیشہ n-ٹائپ اور p-ٹائپ مادے کے درمیان ایک پوٹینشل بیریئر ہوتا ہے۔ یہ پوٹینشل بیریئر فوٹولیکٹک یا سولر سیل کے کام کرنے کے لئے ضروری ہے۔ جب n-ٹائپ نصف موصل اور p-ٹائپ نصف موصل ایک دوسرے سے ملتے ہیں تو n-ٹائپ نصف موصل کے نزدیک سطح پر موجود آزاد الیکٹران p-ٹائپ مادے کے نزدیک سوراخوں کو پورا کرنے کے لئے چلے جاتے ہیں۔ صرف آزاد الیکٹران نہیں بلکہ n-ٹائپ مادے کے نزدیک سطح پر موجود ویلنس الیکٹران بھی کووالنٹ بند سے نکل کر p-ٹائپ نصف موصل میں موجود نزدیک سوراخوں کے ساتھ دوبارہ جڑتے ہیں۔ کووالنٹ بند کو توڑنے کے بعد n-ٹائپ مادے کے نزدیک سطح پر کافی تعداد میں سوراخ پیدا ہوتے ہیں۔ اس طرح نزدیک سطح پر p-ٹائپ مادے کے سوراخ ریکمبائن کرنے کی وجہ سے غائب ہوتے ہیں اور n-ٹائپ مادے کے نزدیک سطح پر سوراخ پیدا ہوتے ہیں۔ یہ یوں ہی p-ٹائپ سے n-ٹائپ نصف موصل کی طرف سوراخ کی تحرک کے مساوی ہوتا ہے۔ اس لئے جب n-ٹائپ نصف موصل اور p-ٹائپ نصف موصل ایک دوسرے سے ملتے ہیں تو n-ٹائپ سے الیکٹران p-ٹائپ میں منتقل ہوتے ہیں اور p-ٹائپ سے سوراخ n-ٹائپ میں منتقل ہوتے ہیں۔ یہ عمل بہت تیز ہوتا ہے لیکن یہ برقرار نہیں رہتا۔ کچھ لمحوں کے بعد p-ٹائپ نصف موصل کے نزدیک سطح پر مثبت بار (اضافی الیکٹران) کا ایک لایر پیدا ہوجاتا ہے۔ اسی طرح n-ٹائپ نصف موصل کے نزدیک سطح پر مثبت بار (مثبت یون) کا ایک لایر پیدا ہوجاتا ہے۔ یہ مثبت اور منفی بار کے لایروں کی مقدار کچھ حد تک بڑھتی ہے لیکن اس کے بعد n-ٹائپ نصف موصل سے p-ٹائپ نصف موصل کی طرف کوئی الیکٹران منتقل نہیں ہوتا۔ یہ ایسا ہوتا ہے کیونکہ جب n-ٹائپ نصف موصل کا کوئی الیکٹران p-ٹائپ نصف موصل کی طرف منتقل ہونے کی کوشش کرتا ہے تو وہ n-ٹائپ نصف موصل کے خود میں موجود کافی لمبے مثبت یون کے لایر کا سامنا کرتا ہے جہاں وہ اسے عبور کیے بغیر گر جاتا ہے۔ اسی طرح سوراخ n-ٹائپ نصف موصل کی طرف منتقل ہونے کی کوشش کرتے ہوئے p-ٹائپ نصف موصل کے منفی لایر کو عبور کرتے ہوئے الیکٹران کے ساتھ ریکمبائن ہو جاتے ہیں اور n-ٹائپ خطے کی طرف کوئی حرکت نہیں ہوتی۔

دیگر الفاظ میں، p-ٹائپ طرف کا منفی بار لایر اور n-ٹائپ طرف کا مثبت بار لایر مل کر ایک بیریئر بناتا ہے جو اپنی ایک طرف سے دوسری طرف کے کیریئر کی تحرک کو مانعت ہوتا ہے۔ اسی طرح p-ٹائپ خطے کے سوراخ n-ٹائپ خطے میں داخل ہونے سے روک دیتے ہیں۔ مثبت اور منفی بار کے لایروں کی وجہ سے خطے کے پار ایک برقی میدان پیدا ہوتا ہے اور یہ خطہ کو ڈپلیشن لایر کہا جاتا ہے۔

اب ہم سلیکون کریستل کی طرف آئیں۔ جب روشنی کا ریز کریستل پر گرتا ہے تو روشنی کا کچھ حصہ کریستل کے ذریعے قبول ہوتا ہے، اور نتیجے کے طور پر کچھ ویلنس الیکٹران تحریک ہوتے ہیں اور کووالنٹ بند سے نکل کر آزاد الیکٹران-سوراخ جوڑے بناتے ہیں۔

اگر روشنی n-ٹائپ نصف موصل پر گرتی ہے تو روشنی سے پیدا ہونے والے الیکٹران-سوراخ جوڑوں کے الیکٹران ڈپلیشن لایر کے برقی میدان کی نفرت کی وجہ سے p-خطے کی طرف منتقل نہیں ہوسکتے ہیں۔ اسی وقت روشنی سے پیدا ہونے والے سوراخ ڈپلیشن لایر کے برقی میدان کی کشش کی وجہ سے ڈپلیشن خطے کو عبور کرتے ہیں جہاں وہ الیکٹرانوں کے ساتھ ریکمبائن ہوتے ہیں، اور پھر یہاں الیکٹران کی کمی p-خطے کے ویلنس الیکٹران کے ذریعے پوری ہوتی ہے، اور یہ p-خطے میں کافی تعداد میں سوراخ بناتا ہے۔ اس طرح روشنی سے پیدا ہونے والے سوراخ p-خطے میں منتقل ہوتے ہیں جہاں وہ پکڑ لیے جاتے ہیں کیونکہ جب وہ p-خطے میں آتے ہیں تو وہ n-ٹائپ خطے میں واپس نہیں آ سکتے ڈپلیشن بیریئر کی نفرت کی وجہ سے۔

جب منفی بار (روشنی سے پیدا ہونے والے الیکٹران) ایک طرف پکڑ لیا جاتا ہے اور مثبت بار (روشنی سے پیدا ہونے والے سوراخ) کیلی کے مخالف طرف پکڑ لیا جاتا ہے تو کیلی کے دونوں طرفوں کے درمیان ایک پوٹینشل فرق ہوتا ہے۔ یہ پوٹینشل فرق عام طور پر 0.5 V ہوتا ہے۔ یہ ہی فوٹولیکٹک سیل یا سولر سیل پوٹینشل فرق کیسے پیدا کرتے ہیں۔

Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.