জীবাশ্ম জ্বালানির ক্ষয়ের বিকল্প কি সৌর কোষ প্রযুক্তি হতে পারে?

এই ব্লগ পোস্টে আমরা জীবাশ্ম জ্বালানি হ্রাসের সমস্যার সমাধান হিসেবে সৌর কোষ প্রযুক্তির সম্ভাবনা ও ভবিষ্যৎ সম্ভাবনা নিয়ে আলোচনা করব।

বিশ্বব্যাপী, শক্তির চাহিদার বেশিরভাগই তেল, কয়লা এবং প্রাকৃতিক গ্যাসের মতো জীবাশ্ম জ্বালানির উপর নির্ভরশীল। জীবাশ্ম জ্বালানি হলো এমন এক ধরনের শক্তি সম্পদ যা লক্ষ লক্ষ বছর আগে পৃথিবীতে বসবাসকারী জীবের দেহাবশেষ নির্দিষ্ট পরিবেশগত পরিস্থিতিতে পচে গিয়ে জমা হওয়ার ফলে গঠিত হয়। এদের গঠন প্রক্রিয়া লক্ষ লক্ষ বছর সময় নেয় বলে, এদেরকে অনবায়নযোগ্য সম্পদ হিসেবে শ্রেণীবদ্ধ করা হয়। তবে, শিল্প বিপ্লবের পর থেকে জীবাশ্ম জ্বালানির ব্যবহার ক্রমাগত বৃদ্ধি পাওয়ায় এই সম্পদগুলো ধীরে ধীরে নিঃশেষ হয়ে যাচ্ছে। অধিকন্তু, এই জীবাশ্ম জ্বালানির অতিরিক্ত ব্যবহার গ্রিনহাউস গ্যাস নির্গমনের মতো গুরুতর পরিবেশগত সমস্যা সৃষ্টি করছে। এই সমস্যাগুলো মানবজাতির টেকসই উন্নয়নের জন্য হুমকিস্বরূপ, এবং ফলস্বরূপ, বিশ্বজুড়ে বিকল্প শক্তির উৎসের উন্নয়নে আগ্রহ বাড়ছে। সৌর, বায়ু, বায়োমাস এবং ভূ-তাপীয় শক্তির মতো বিভিন্ন বিকল্প শক্তির উৎস নিয়ে গবেষণা চলছে। বিশেষ করে, সৌরশক্তি—যা কোনো নির্দিষ্ট স্থানের উপর নির্ভরশীল নয় এবং কোনো পরিবেশগত সমস্যা সৃষ্টি করে না—জীবাশ্ম জ্বালানির বিকল্প হিসেবে প্রাধান্য লাভ করছে।
সৌর কোষ হলো এমন একটি যন্ত্র যা আলোক শক্তিকে বৈদ্যুতিক শক্তিতে রূপান্তরিত করে এবং সঞ্চয় করে। আমরা সাধারণত যে ড্রাই-সেল ব্যাটারি এবং রিচার্জেবল ব্যাটারি ব্যবহার করি, সেগুলো হলো রাসায়নিক কোষ, যা সৌর কোষ থেকে ভিন্ন। রাসায়নিক কোষ তাদের অভ্যন্তরীণ পদার্থের রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে বৈদ্যুতিক শক্তি উৎপন্ন করে। তাই, আগে থেকে সঞ্চিত পদার্থ নিঃশেষ হয়ে গেলে, সেগুলো আর শক্তি উৎপাদন করতে পারে না। এর বিপরীতে, সৌর কোষ হলো ভৌত কোষ যা আলোক-বৈদ্যুতিক প্রভাবকে কাজে লাগায়, যার ফলে যতক্ষণ পর্যন্ত বাহ্যিক শক্তির উৎস—আলো—নিঃশেষ না হয়, ততক্ষণ পর্যন্ত এগুলো অনির্দিষ্টকালের জন্য শক্তি উৎপাদন করতে পারে। আলোক-বৈদ্যুতিক প্রভাব বলতে সেই ঘটনাকে বোঝায় যেখানে কোনো ধাতুকে একটি নির্দিষ্ট তীব্রতা বা তার চেয়ে বেশি তীব্রতার আলোর সংস্পর্শে আনলে তা থেকে ইলেকট্রন নির্গত হয়। যখন একটি ইলেকট্রন নির্গত হয়, তখন তাকে "উত্তেজিত" বলা হয়। যদি এটি আপতিত আলোর শক্তি শোষণ করে এবং তার মূল অবস্থার চেয়ে বেশি শক্তি অর্জন করে, তবে এটি উত্তেজিত হয়ে ওঠে। এই ধরনের একটি উত্তেজিত ইলেকট্রন হয় অতিরিক্ত শক্তি নির্গত করে তার মূল অবস্থানে ফিরে আসতে পারে অথবা উত্তেজিত অবস্থায় থেকে অন্য কোনো স্থানে চলে যেতে পারে। উভয় ক্ষেত্রেই ইলেকট্রন সবচেয়ে স্থিতিশীল পথটি বেছে নেয়; সৌর কোষ এমন পরিস্থিতি তৈরি করে যেখানে ইলেকট্রনগুলো দ্বিতীয় বিকল্পটি বেছে নেয়, ফলে সেগুলো বর্তনীর মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হতে পারে।
সৌর কোষ সর্বপ্রথম ১৯৪৫ সালে মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে উদ্ভাবিত হয়েছিল এবং এগুলোকে প্রথম প্রজন্মের সৌর কোষ বলা হয়। প্রথম প্রজন্মের সৌর কোষের গঠনে পি-টাইপ (ধনাত্মক) এবং এন-টাইপ (ঋণাত্মক) সেমিকন্ডাক্টর, যাদের বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য ভিন্ন, সেগুলোকে একসাথে যুক্ত করা হয়। যেহেতু এই দুটি সেমিকন্ডাক্টর তৈরি করার জন্য সিলিকনের সাথে অল্প পরিমাণে অপদ্রব্য (যথাক্রমে বোরন এবং ফসফরাস) মেশানো হয়, তাই এগুলোকে সিলিকন সৌর কোষও বলা হয়। যেহেতু বোরনে ৫টি ইলেকট্রন এবং ফসফরাসে ১৫টি ইলেকট্রন থাকে, তাই বোরন-ডোপড পি-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরের তুলনায় ফসফরাস-ডোপড এন-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরে ইলেকট্রন (-) বেশি থাকে। একই কারণে, পি-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরে হোল—অর্থাৎ ইলেকট্রনের অনুপস্থিতির শূন্যস্থান—বেশি থাকে, যা “হোল (+)” নামে পরিচিত। যখন আলোক শক্তি পিএন সেমিকন্ডাক্টরের সংযোগস্থলে আঘাত করে, তখন আলোক-বৈদ্যুতিক প্রভাবের কারণে ইলেকট্রন নির্গত হয়, যা প্রতিটি সেমিকন্ডাক্টরের মধ্যে ইলেকট্রন এবং হোলের সংখ্যা বাড়িয়ে দেয়। এন-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরের অতিরিক্ত ইলেকট্রনগুলো পি-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরের দিকে যাওয়ার চেষ্টা করে, কিন্তু শক্তির পার্থক্যের কারণে তারা জাংশনটি অতিক্রম করতে পারে না। তাই, যখন দুই ধরনের সেমিকন্ডাক্টরকে একটি তার দিয়ে সংযুক্ত করা হয়, তখন এন-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরের অতিরিক্ত ইলেকট্রনগুলো তার বেয়ে পি-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরের দিকে প্রবাহিত হয়।
প্রথম প্রজন্মের সৌর কোষগুলো ২৫% পর্যন্ত দক্ষতা অর্জন করে এবং এগুলো রাসায়নিকভাবে স্থিতিশীল। বর্তমানে সৌর কোষের বাজারের ৮০%-এরও বেশি প্রথম প্রজন্মের সৌর কোষ দ্বারা গঠিত। তবে, যেহেতু সিলিকন আলো শোষণ এবং ইলেকট্রন পরিবহন উভয় কাজই করে, তাই সিলিকনের বিশুদ্ধতা কমার সাথে সাথে এর দক্ষতাও হ্রাস পায়, যার জন্য উৎপাদন প্রক্রিয়ায় উচ্চ মাত্রার সূক্ষ্মতার প্রয়োজন হয়। এছাড়াও, যেহেতু উচ্চ-বিশুদ্ধ সিলিকন প্রধান কাঁচামাল হিসেবে ব্যবহৃত হয়, তাই এর উৎপাদন খরচ অনেক বেশি। এগুলোর আরেকটি অসুবিধা হলো এগুলো অনমনীয় এবং অস্বচ্ছ, যার ফলে এগুলোর নান্দনিক আকর্ষণ কম।
এই সমস্যাগুলো সমাধানের জন্য তৈরি দ্বিতীয় প্রজন্মের সৌর কোষগুলো উৎপাদন খরচ কমানোর উপর মনোযোগ দিয়েছে। যেহেতু সৌর কোষগুলোকে বিস্তৃত এলাকা জুড়ে বৃহৎ পরিসরে স্থাপন করতে হয়, তাই যন্ত্রপাতির কম খরচ সরাসরি উৎপাদন খরচ কমাতে সাহায্য করে। একটি অজৈব সাবস্ট্রেটের উপর আলো-শোষণকারী জৈব রঞ্জকের একটি পাতলা স্তর প্রয়োগ করে তৈরি করা দ্বিতীয় প্রজন্মের সৌর কোষগুলো থিন-ফিল্ম সোলার সেল নামেও পরিচিত। যদিও এদের কার্যপ্রণালী প্রথম প্রজন্মের সৌর কোষের মতোই, তবে সেমিকন্ডাক্টরের মধ্যে ইলেকট্রনের শোষণ এবং পরিবহন একই সাথে ঘটে না, বরং তা পৃথকভাবে ঘটে। সিলিকন শুধুমাত্র বাহক হিসেবে কাজ করে, আর পাতলা, বিস্তৃত জৈব রঞ্জকটি সৌরশক্তি শোষণ করে। ফলস্বরূপ, সৌর কোষের কার্যকারিতা সিলিকনের বিশুদ্ধতার উপর নির্ভর করে না, যা ব্যয়বহুল ১০০% বিশুদ্ধ সিলিকনের প্রয়োজনীয়তা দূর করে। উপরন্তু, যেহেতু দ্বিতীয় প্রজন্মের সৌর কোষগুলো পাতলা, স্বচ্ছ এবং নমনীয়, তাই এগুলো ভবনের জানালা, গ্রিনহাউস এবং ছোট ইলেকট্রনিক ডিভাইসে ব্যবহার করা যেতে পারে। তবে, পাতলা হওয়ার কারণে এদের কার্যকারিতা প্রথম প্রজন্মের সৌর কোষের চেয়ে কম।
তৃতীয় প্রজন্মের সৌর কোষ, যা বর্তমানে সক্রিয় গবেষণার বিষয়, দ্বিতীয় প্রজন্মের সৌর কোষের সুবিধাগুলো বজায় রেখে শক্তি দক্ষতা বৃদ্ধির উপর মনোযোগ দেয়। ১৯৯১ সালে সুইস ফেডারেল ইনস্টিটিউট অফ টেকনোলজিতে অধ্যাপক গ্রাৎজেলের দল দ্বারা বিকশিত ডাই-সেনসিটাইজড সোলার সেল (DSSC) অত্যন্ত ক্ষুদ্র ন্যানো পার্টিকেল এবং তার চেয়েও ক্ষুদ্র ডাই পলিমার ব্যবহার করে। যদিও সৌর শক্তি শোষণ এবং চার্জ পরিবহনের পৃথকীকরণ দ্বিতীয় প্রজন্মের সৌর কোষের মতোই, প্রতি একক আয়তনে পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল বাড়ানোর জন্য অত্যন্ত ক্ষুদ্র কণার (ন্যানো পার্টিকেল এবং ডাই পলিমার) ব্যবহার উল্লেখযোগ্য মনোযোগ আকর্ষণ করেছে। যেহেতু ইলেকট্রন শুধুমাত্র দুটি কণার মধ্যকার সংযোগ পৃষ্ঠের মাধ্যমে চলাচল করতে পারে, তাই ন্যানো পার্টিকেল ব্যবহারকারী ডাই-সেনসিটাইজড সোলার সেলগুলো খুব উচ্চ শক্তি দক্ষতা অর্জন করতে সক্ষম হয়েছিল। মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের ডিফেন্স অ্যাডভান্সড রিসার্চ প্রজেক্টস এজেন্সি (DARPA) বিভিন্ন তরঙ্গদৈর্ঘ্যের একাধিক সৌর কোষকে একত্রিত করে একটি হাইব্রিড ট্যান্ডেম সোলার সেল তৈরি করেছে। শক্তির উৎস হিসেবে বিস্তৃত তরঙ্গদৈর্ঘ্য ব্যবহার করে তারা দক্ষতা বৃদ্ধি করেছে। এছাড়াও, এমইজি (MEG) সোলার সেল—যা বর্তমানে কোলোন এবং স্যামসাং-এর মতো কোম্পানিগুলো দ্বারা সক্রিয়ভাবে গবেষণাধীন—এমন একটি কৌশলের মাধ্যমে উন্নত কার্যকারিতা দেখিয়েছে, যা একটিমাত্র আলোক কণা থেকে দুই বা ততোধিক ইলেকট্রন-হোল জোড়া তৈরি করে। একাধিক পিএন (PN) জংশন স্তরে স্তরে সাজানোর মাধ্যমে, পৃষ্ঠে শোষিত সূর্যালোক একাধিকবার শোষিত ও পুনঃশোষিত হতে পারে।
যদিও জীবাশ্ম জ্বালানির বিকল্প হিসেবে এদের কার্যকারিতা এখনও যথেষ্ট বেশি নয়, তবে ক্ষয়িষ্ণু রাসায়নিক জ্বালানির মতো নয়, সৌর কোষের শক্তির উৎস অসীম। আমাদের ব্যবহৃত জীবাশ্ম জ্বালানির বিপরীতে সৌরশক্তিকে একটি পরিচ্ছন্ন শক্তির উৎস হিসেবে বিবেচনা করা হয় এবং এটি গ্রিনহাউস গ্যাস নির্গমন হ্রাসের বৈশ্বিক প্রচেষ্টায় উল্লেখযোগ্যভাবে অবদান রাখতে পারে। ফলস্বরূপ, সৌর কোষ প্রযুক্তি শক্তি খাতে উদ্ভাবনকে চালিত করছে এবং বিভিন্ন শিল্পে এটি একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করবে বলে আশা করা হচ্ছে। অধিকন্তু, বিভিন্ন নীতিতে পরিচালিত সৌর কোষের আবির্ভাব এবং এই কোষগুলোর ক্রমবর্ধমান কার্যকারিতা আরও গবেষণা, উন্নয়ন এবং বাস্তব প্রয়োগের সম্ভাবনাকে তুলে ধরে। অচিরেই আমরা বিভিন্ন ধরনের বাণিজ্যিক সৌর কোষ দেখতে পাব।