इस ब्लॉग पोस्ट में, हम जीवाश्म ईंधन की कमी की समस्या के समाधान के रूप में सौर सेल प्रौद्योगिकी की क्षमता और भविष्य की संभावनाओं का पता लगाएंगे।
वैश्विक स्तर पर, अधिकांश ऊर्जा मांग तेल, कोयला और प्राकृतिक गैस जैसे जीवाश्म ईंधनों पर निर्भर करती है। जीवाश्म ईंधन ऊर्जा संसाधन हैं जो लाखों वर्ष पूर्व पृथ्वी पर रहने वाले जीवों के अवशेषों के विघटन और विशिष्ट पर्यावरणीय परिस्थितियों में जमा होने से बने हैं। इनके निर्माण की प्रक्रिया में लाखों वर्ष लगते हैं, इसलिए इन्हें गैर-नवीकरणीय संसाधन माना जाता है। हालांकि, औद्योगिक क्रांति के बाद से जीवाश्म ईंधनों की खपत में लगातार वृद्धि के कारण ये संसाधन धीरे-धीरे समाप्त हो रहे हैं। इसके अलावा, इन जीवाश्म ईंधनों के अत्यधिक उपयोग से ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन जैसी गंभीर पर्यावरणीय समस्याएं उत्पन्न हो रही हैं। ये मुद्दे मानवता के सतत विकास के लिए खतरा हैं, और परिणामस्वरूप, वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों के विकास में वैश्विक स्तर पर रुचि बढ़ रही है। सौर, पवन, बायोमास और भूतापीय ऊर्जा जैसे विभिन्न वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों पर शोध किया जा रहा है। विशेष रूप से, सौर ऊर्जा - जो स्थान से बाधित नहीं होती और कोई पर्यावरणीय समस्या उत्पन्न नहीं करती - जीवाश्म ईंधनों के विकल्प के रूप में प्रमुखता प्राप्त कर रही है।
सौर सेल एक ऐसा उपकरण है जो प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित और संग्रहित करता है। आमतौर पर हम जिन ड्राई-सेल बैटरी और रिचार्जेबल बैटरी का उपयोग करते हैं, वे रासायनिक सेल होते हैं, जो सौर सेल से भिन्न होते हैं। रासायनिक सेल अपने आंतरिक पदार्थों की रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करते हैं। इसलिए, एक बार जब उनमें संग्रहित पदार्थ समाप्त हो जाता है, तो वे बिजली उत्पन्न नहीं कर सकते। इसके विपरीत, सौर सेल भौतिक सेल होते हैं जो फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग करते हैं, जिससे वे तब तक अनिश्चित काल तक बिजली उत्पन्न कर सकते हैं जब तक कि बाहरी ऊर्जा स्रोत - प्रकाश - समाप्त न हो जाए। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव उस घटना को संदर्भित करता है जिसमें किसी धातु से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं जब उसे एक निश्चित तीव्रता या उससे अधिक तीव्रता के प्रकाश के संपर्क में लाया जाता है। जब एक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होता है, तो उसे "उत्तेजित" कहा जाता है। यदि यह आपतित प्रकाश की ऊर्जा को अवशोषित करता है और अपनी मूल अवस्था से अधिक ऊर्जा प्राप्त करता है, तो यह उत्तेजित हो जाता है। ऐसा उत्तेजित इलेक्ट्रॉन या तो अतिरिक्त ऊर्जा उत्सर्जित करके अपनी मूल स्थिति में लौट सकता है या उत्तेजित अवस्था में रहते हुए किसी अन्य स्थान पर जा सकता है। इलेक्ट्रॉन प्रत्येक स्थिति में सबसे स्थिर मार्ग चुनते हैं; सौर सेल ऐसी परिस्थितियाँ बनाते हैं जहाँ इलेक्ट्रॉन बाद वाला विकल्प चुनते हैं, जिससे वे परिपथ में प्रवाहित हो सकते हैं।
सौर सेल का विकास सर्वप्रथम 1945 में संयुक्त राज्य अमेरिका में हुआ था और इन्हें प्रथम पीढ़ी के सौर सेल कहा जाता है। प्रथम पीढ़ी के सौर सेल की संरचना में पी-प्रकार (धनात्मक) और एन-प्रकार (ऋणात्मक) अर्धचालक, जिनके विद्युत गुणधर्म भिन्न होते हैं, आपस में जुड़े होते हैं। इन दोनों अर्धचालकों के निर्माण के लिए सिलिकॉन में थोड़ी मात्रा में अशुद्धियाँ (क्रमशः बोरॉन और फास्फोरस) मिलाई जाती हैं, इसलिए इन्हें सिलिकॉन सौर सेल भी कहा जाता है। बोरॉन में 5 इलेक्ट्रॉन और फास्फोरस में 15 इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए फास्फोरस-मिश्रित एन-प्रकार के अर्धचालक में बोरॉन-मिश्रित पी-प्रकार के अर्धचालक की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन (ऋणात्मक) होते हैं। इसी कारण से, पी-प्रकार के अर्धचालक में अधिक छिद्र (वे स्थान जहाँ इलेक्ट्रॉन अनुपस्थित होते हैं) होते हैं, जिन्हें "छिद्र (+)" कहा जाता है। जब प्रकाश ऊर्जा पी-प्रकार के अर्धचालक के जंक्शन पर पड़ती है, तो प्रकाश विद्युत प्रभाव के कारण इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं, जिससे प्रत्येक अर्धचालक में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की संख्या बढ़ जाती है। एन-टाइप सेमीकंडक्टर में मौजूद अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन पी-टाइप सेमीकंडक्टर की ओर बढ़ने का प्रयास करते हैं, लेकिन ऊर्जा अंतर के कारण वे जंक्शन को पार नहीं कर पाते। इसलिए, जब दो प्रकार के सेमीकंडक्टरों को एक तार से जोड़ा जाता है, तो एन-टाइप सेमीकंडक्टर के अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन तार के अनुदिश पी-टाइप सेमीकंडक्टर की ओर प्रवाहित होते हैं।
पहली पीढ़ी के सौर सेल 25% तक दक्षता प्राप्त करते हैं और रासायनिक रूप से स्थिर होते हैं। वर्तमान में सौर सेल बाजार में पहली पीढ़ी के सौर सेल की हिस्सेदारी 80% से अधिक है। हालांकि, सिलिकॉन प्रकाश को अवशोषित करने और इलेक्ट्रॉनों का संचालन करने, दोनों का कार्य करता है, इसलिए सिलिकॉन की शुद्धता कम होने पर दक्षता घट जाती है, जिसके लिए निर्माण प्रक्रिया में उच्च स्तर की सटीकता की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन का प्राथमिक कच्चे माल के रूप में उपयोग होने के कारण उत्पादन लागत बहुत अधिक होती है। इनमें लचीलेपन की कमी और अपारदर्शी होने की खामी भी है, जिसके कारण इनका सौंदर्यबोध कम होता है।
इन समस्याओं के समाधान के लिए विकसित दूसरी पीढ़ी के सौर सेल उत्पादन लागत को कम करने पर केंद्रित थे। चूंकि सौर सेल को बड़े पैमाने पर विस्तृत क्षेत्रों में स्थापित करना आवश्यक है, इसलिए उपकरण की कम लागत सीधे उत्पादन लागत में कमी लाती है। प्रकाश-अवशोषित करने वाले कार्बनिक रंग की एक पतली परत को अकार्बनिक सब्सट्रेट पर लगाकर बनाए गए दूसरी पीढ़ी के सौर सेल को पतली-फिल्म सौर सेल के रूप में भी जाना जाता है। हालांकि इनका कार्य सिद्धांत पहली पीढ़ी के सौर सेल के समान है, लेकिन अर्धचालक के भीतर इलेक्ट्रॉनों का अवशोषण और परिवहन एक साथ नहीं होता है, बल्कि अलग-अलग होता है। सिलिकॉन केवल वाहक के रूप में कार्य करता है, जबकि पतली, व्यापक रूप से फैली कार्बनिक रंग सौर ऊर्जा को अवशोषित करती है। परिणामस्वरूप, सौर सेल की दक्षता सिलिकॉन की शुद्धता पर निर्भर नहीं करती है, जिससे महंगे 100% शुद्ध सिलिकॉन की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। इसके अलावा, चूंकि दूसरी पीढ़ी के सौर सेल पतले, पारदर्शी और लचीले होते हैं, इसलिए इनका उपयोग भवन की खिड़कियों, ग्रीनहाउस और छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जा सकता है। हालांकि, पतले होने के कारण, इनकी दक्षता पहली पीढ़ी के सौर सेल की तुलना में कम होती है।
तीसरी पीढ़ी के सौर सेल, जिन पर वर्तमान में सक्रिय रूप से शोध चल रहा है, दूसरी पीढ़ी के सौर सेल के फायदों को बरकरार रखते हुए ऊर्जा दक्षता बढ़ाने पर केंद्रित हैं। 1991 में स्विस फेडरल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में प्रोफेसर ग्रैट्ज़ेल की टीम द्वारा विकसित डाई-सेंसिटाइज्ड सौर सेल (डीएसएससी) में अत्यंत छोटे नैनोकणों और उससे भी छोटे डाई पॉलिमर का उपयोग किया जाता है। हालांकि सौर ऊर्जा अवशोषण और आवेश परिवहन का पृथक्करण दूसरी पीढ़ी के सौर सेल के समान ही है, लेकिन प्रति इकाई आयतन सतह क्षेत्र को बढ़ाने के लिए अत्यंत छोटे कणों (नैनोकणों और डाई पॉलिमर) के उपयोग ने काफी ध्यान आकर्षित किया है। चूंकि इलेक्ट्रॉन केवल दो कणों के बीच संपर्क सतह से ही गति कर सकते हैं, इसलिए नैनोकणों का उपयोग करने वाले डाई-सेंसिटाइज्ड सौर सेल बहुत उच्च ऊर्जा दक्षता प्राप्त करने में सक्षम रहे हैं। अमेरिकी रक्षा उन्नत अनुसंधान परियोजना एजेंसी (डीएआरपीए) ने विभिन्न तरंग दैर्ध्य श्रेणियों वाले कई सौर सेल को मिलाकर एक हाइब्रिड टैन्डम सौर सेल विकसित किया। ऊर्जा स्रोतों के रूप में तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग करके, उन्होंने दक्षता में वृद्धि की। इसके अतिरिक्त, एमईजी सौर सेल—जिन पर वर्तमान में कोलोन और सैमसंग जैसी कंपनियों द्वारा सक्रिय रूप से शोध किया जा रहा है—ने एक ऐसी प्रक्रिया के माध्यम से दक्षता में सुधार किया है जो एक ही प्रकाश कण से दो या अधिक इलेक्ट्रॉन-होल युग्म उत्पन्न करती है। कई पीएन जंक्शनों को एक साथ जोड़कर, सतह पर अवशोषित सूर्य के प्रकाश को कई बार अवशोषित और पुनः अवशोषित किया जा सकता है।
हालांकि जीवाश्म ईंधनों को प्रतिस्थापित करने के लिए इनकी दक्षता अभी उतनी अधिक नहीं है, लेकिन रासायनिक ईंधनों के क्षय के विपरीत, सौर सेलों का ऊर्जा स्रोत असीमित है। जीवाश्म ईंधनों के विपरीत, सौर ऊर्जा को स्वच्छ ऊर्जा स्रोत माना जाता है और यह ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करने के वैश्विक प्रयासों में महत्वपूर्ण योगदान दे सकती है। परिणामस्वरूप, सौर सेल प्रौद्योगिकी ऊर्जा क्षेत्र में नवाचार को गति दे रही है और विभिन्न उद्योगों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की उम्मीद है। इसके अलावा, विभिन्न सिद्धांतों पर काम करने वाले सौर सेलों का उदय और इन सेलों की लगातार बढ़ती दक्षता आगे के अनुसंधान, विकास और व्यावहारिक अनुप्रयोग की संभावनाओं को दर्शाती है। निकट भविष्य में हमें विभिन्न प्रकार के व्यावसायिक सौर सेल देखने को मिलेंगे।
