या ब्लॉग पोस्टमध्ये, आपण जीवाश्म इंधनाच्या घटत्या साठ्याच्या समस्येवर उपाय म्हणून सौर सेल तंत्रज्ञानाची क्षमता आणि भविष्यातील शक्यता जाणून घेणार आहोत.
जागतिक स्तरावर, ऊर्जेची बहुतांश मागणी तेल, कोळसा आणि नैसर्गिक वायू यांसारख्या जीवाश्म इंधनांवर अवलंबून आहे. जीवाश्म इंधने ही अशी ऊर्जा संसाधने आहेत, जी लाखो वर्षांपूर्वी पृथ्वीवर वास्तव्य करणाऱ्या जीवांचे अवशेष विशिष्ट पर्यावरणीय परिस्थितीत विघटित होऊन जमा झाल्यावर तयार झाली. त्यांच्या निर्मितीच्या प्रक्रियेला लाखो वर्षे लागत असल्यामुळे, त्यांना अनवीकरणीय संसाधने म्हणून वर्गीकृत केले जाते. तथापि, औद्योगिक क्रांतीपासून जीवाश्म इंधनांचा वापर सतत वाढत असल्यामुळे, ही संसाधने हळूहळू कमी होत आहेत. शिवाय, या जीवाश्म इंधनांच्या अतिवापरामुळे हरितगृह वायू उत्सर्जनासारख्या गंभीर पर्यावरणीय समस्या निर्माण होत आहेत. या समस्या मानवाच्या शाश्वत विकासाला धोका निर्माण करतात आणि परिणामी, जगभरात पर्यायी ऊर्जा स्रोतांच्या विकासामध्ये रस वाढत आहे. सौर, पवन, बायोमास आणि भूऔष्णिक ऊर्जा यांसारख्या विविध पर्यायी ऊर्जा स्रोतांवर संशोधन केले जात आहे. विशेषतः, सौर ऊर्जा—जी स्थानाच्या बंधनात नाही आणि कोणतीही पर्यावरणीय समस्या निर्माण करत नाही—जी जीवाश्म इंधनांना एक पर्याय म्हणून महत्त्व प्राप्त करत आहे.
सौर सेल हे एक असे उपकरण आहे जे प्रकाश ऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेमध्ये रूपांतर करून ती साठवते. आपण सामान्यतः वापरत असलेल्या ड्राय-सेल बॅटरी आणि रिचार्जेबल बॅटरी या रासायनिक पेशी (केमिकल सेल्स) आहेत, ज्या सौर पेशींपेक्षा वेगळ्या असतात. रासायनिक पेशी त्यांच्या अंतर्गत पदार्थांच्या रासायनिक अभिक्रियांमधून विद्युत ऊर्जा निर्माण करतात. त्यामुळे, एकदा का आधीपासून साठवलेला पदार्थ संपला की, त्या वीज निर्माण करू शकत नाहीत. याउलट, सौर पेशी या भौतिक पेशी आहेत ज्या प्रकाशविद्युत परिणामाचा (फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट) उपयोग करतात, ज्यामुळे जोपर्यंत बाह्य ऊर्जा स्रोत—म्हणजेच प्रकाश—संपत नाही, तोपर्यंत त्या अनिश्चित काळासाठी वीज निर्माण करू शकतात. प्रकाशविद्युत परिणाम म्हणजे अशी घटना, ज्यात एखाद्या धातूवर विशिष्ट किंवा त्याहून अधिक तीव्रतेचा प्रकाश पडल्यावर त्यातून इलेक्ट्रॉन बाहेर पडतात. जेव्हा एखादा इलेक्ट्रॉन बाहेर टाकला जातो, तेव्हा तो 'उत्तेजित' झाला असे म्हटले जाते. जर त्याने पडणाऱ्या प्रकाशाची ऊर्जा शोषून घेतली आणि आपल्या मूळ स्थितीपेक्षा जास्त ऊर्जा मिळवली, तर तो उत्तेजित होतो. असा उत्तेजित इलेक्ट्रॉन एकतर अतिरिक्त ऊर्जा उत्सर्जित करून आपल्या मूळ जागी परत येऊ शकतो किंवा उत्तेजित अवस्थेत राहून दुसऱ्या ठिकाणी निघून जाऊ शकतो. प्रत्येक बाबतीत इलेक्ट्रॉन सर्वात स्थिर मार्ग निवडतात; सौर पेशी अशी परिस्थिती निर्माण करतात जिथे इलेक्ट्रॉन दुसरा पर्याय निवडतात, ज्यामुळे त्यांना सर्किटमधून वाहण्याची परवानगी मिळते.
सौर पेशी (सोलर सेल्स) सर्वप्रथम १९४५ मध्ये अमेरिकेत विकसित केल्या गेल्या आणि त्यांना पहिल्या पिढीच्या सौर पेशी (फर्स्ट-जनरेशन सोलर सेल्स) म्हणून ओळखले जाते. पहिल्या पिढीच्या सौर पेशींची रचना अशी असते की, त्यात वेगवेगळे विद्युत गुणधर्म असलेले पी-टाइप (पॉझिटिव्ह) आणि एन-टाइप (निगेटिव्ह) सेमीकंडक्टर एकत्र जोडलेले असतात. हे दोन सेमीकंडक्टर तयार करण्यासाठी सिलिकॉनमध्ये थोड्या प्रमाणात अशुद्धी (अनुक्रमे बोरॉन आणि फॉस्फरस) मिसळल्या जात असल्यामुळे, त्यांना सिलिकॉन सौर पेशी (सिलिकॉन सोलर सेल्स) असेही म्हटले जाते. बोरॉनमध्ये ५ इलेक्ट्रॉन आणि फॉस्फरसमध्ये १५ इलेक्ट्रॉन असल्यामुळे, फॉस्फरस-मिश्रित एन-टाइप सेमीकंडक्टरमध्ये बोरॉन-मिश्रित पी-टाइप सेमीकंडक्टरपेक्षा जास्त इलेक्ट्रॉन (-) असतात. याच कारणामुळे, पी-टाइप सेमीकंडक्टरमध्ये जास्त छिद्रे (होल्स) असतात—म्हणजेच, जिथे इलेक्ट्रॉन नसतात अशा रिक्त जागा—ज्यांना “होल्स (+)” असे म्हटले जाते. जेव्हा प्रकाश ऊर्जा पीएन सेमीकंडक्टरच्या जंक्शनवर आदळते, तेव्हा फोटोइलेक्ट्रिक परिणामामुळे इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होतात, ज्यामुळे प्रत्येक सेमीकंडक्टरमधील इलेक्ट्रॉन आणि होल्सची संख्या वाढते. एन-टाइप सेमीकंडक्टरमधील अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन पी-टाइप सेमीकंडक्टरकडे जाण्याचा प्रयत्न करतात, परंतु ऊर्जेतील फरकामुळे ते जंक्शन ओलांडू शकत नाहीत. त्यामुळे, जेव्हा दोन प्रकारचे सेमीकंडक्टर एका तारेने जोडले जातात, तेव्हा एन-टाइप सेमीकंडक्टरमधील अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन तारेच्या दिशेने पी-टाइप सेमीकंडक्टरकडे वाहतात.
पहिल्या पिढीतील सौर पेशी २५% पर्यंत कार्यक्षमता साधतात आणि रासायनिक दृष्ट्या स्थिर असतात. सध्या सौर पेशींच्या बाजारपेठेत पहिल्या पिढीतील सौर पेशींचा वाटा ८०% पेक्षा जास्त आहे. तथापि, सिलिकॉन प्रकाश शोषून घेणे आणि इलेक्ट्रॉनचे वहन करणे या दोन्ही भूमिका बजावत असल्यामुळे, सिलिकॉनची शुद्धता कमी झाल्यावर कार्यक्षमता घटते, ज्यामुळे उत्पादन प्रक्रियेत उच्च पातळीच्या अचूकतेची आवश्यकता असते. याव्यतिरिक्त, उच्च-शुद्धतेचे सिलिकॉन प्राथमिक कच्चा माल म्हणून वापरले जात असल्यामुळे, उत्पादन खर्च खूप जास्त असतो. तसेच, त्या लवचिक नसतात आणि अपारदर्शक असतात, ज्यामुळे त्यांचे सौंदर्यदृष्ट्या आकर्षण कमी होते, हा त्यांचा एक तोटा आहे.
या समस्यांचे निराकरण करण्यासाठी विकसित केलेल्या दुसऱ्या पिढीच्या सौर पेशींनी उत्पादन खर्च कमी करण्यावर लक्ष केंद्रित केले. सौर पेशी मोठ्या प्रमाणावर आणि विस्तृत क्षेत्रावर स्थापित कराव्या लागत असल्याने, उपकरणांचा कमी खर्च थेट उत्पादन खर्चात घट होण्यास कारणीभूत ठरतो. एका अजैविक सब्सट्रेटवर प्रकाश-शोषक सेंद्रिय रंगाचा पातळ थर लावून तयार केलेल्या दुसऱ्या पिढीच्या सौर पेशींना 'थिन-फिल्म सौर पेशी' असेही म्हटले जाते. जरी त्यांचे कार्यतत्त्व पहिल्या पिढीच्या सौर पेशींसारखेच असले तरी, सेमीकंडक्टरमध्ये इलेक्ट्रॉनचे शोषण आणि वहन एकाच वेळी न होता ते वेगळे होते. सिलिकॉन केवळ वाहक म्हणून कार्य करते, तर पातळ, विस्तृतपणे पसरलेला सेंद्रिय रंग सौर ऊर्जा शोषून घेतो. परिणामी, सौर पेशीची कार्यक्षमता सिलिकॉनच्या शुद्धतेवर अवलंबून नसते, ज्यामुळे महागड्या १००% शुद्ध सिलिकॉनची गरज नाहीशी होते. शिवाय, दुसऱ्या पिढीच्या सौर पेशी पातळ, पारदर्शक आणि लवचिक असल्याने, त्यांचा उपयोग इमारतींच्या खिडक्या, हरितगृहे आणि लहान इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये केला जाऊ शकतो. तथापि, त्या पातळ असल्यामुळे, त्यांची कार्यक्षमता पहिल्या पिढीच्या सौर पेशींपेक्षा कमी असते.
तिसऱ्या पिढीतील सौर पेशी, ज्या सध्या सक्रिय संशोधनाचा विषय आहेत, दुसऱ्या पिढीतील सौर पेशींचे फायदे कायम ठेवून ऊर्जा कार्यक्षमता वाढवण्यावर लक्ष केंद्रित करतात. स्विस फेडरल इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीमध्ये प्राध्यापक ग्रॅट्झेल यांच्या संघाने १९९१ मध्ये विकसित केलेल्या रंग-संवेदनशील सौर पेशी (DSSC), अत्यंत लहान नॅनोकण आणि त्याहूनही लहान रंगद्रव्य पॉलिमरचा वापर करतात. सौर ऊर्जा शोषण आणि चार्ज वहन यांचे विभाजन दुसऱ्या पिढीतील सौर पेशींप्रमाणेच असले तरी, प्रति एकक घनफळ पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ वाढवण्यासाठी अत्यंत लहान कणांच्या (नॅनोकण आणि रंगद्रव्य पॉलिमर) वापरामुळे लक्षणीय लक्ष वेधले गेले. इलेक्ट्रॉन केवळ दोन कणांमधील संपर्क पृष्ठभागातूनच जाऊ शकत असल्याने, नॅनोकणांचा वापर करणाऱ्या रंग-संवेदनशील सौर पेशी अत्यंत उच्च ऊर्जा कार्यक्षमता साध्य करू शकल्या. अमेरिकेच्या डिफेन्स ॲडव्हान्स्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजन्सीने (DARPA) वेगवेगळ्या तरंगलांबीच्या अनेक सौर पेशी एकत्र करून एक संकरित टँडम सौर पेशी विकसित केली. ऊर्जा स्रोत म्हणून तरंगलांबीच्या विस्तृत श्रेणीचा वापर करून, त्यांनी कार्यक्षमता वाढवली. याव्यतिरिक्त, कोलोन आणि सॅमसंग यांसारख्या कंपन्यांकडून सध्या सक्रिय संशोधनाखाली असलेल्या एमईजी (MEG) सौर पेशींमध्ये, एकाच प्रकाश कणापासून दोन किंवा अधिक इलेक्ट्रॉन-होल जोड्या निर्माण करणाऱ्या यंत्रणेद्वारे कार्यक्षमता सुधारली आहे. अनेक पीएन (PN) जंक्शन्स एकावर एक रचल्यामुळे, पृष्ठभागावर शोषलेला सूर्यप्रकाश अनेक वेळा शोषला आणि पुन्हा शोषला जाऊ शकतो.
जरी त्यांची कार्यक्षमता जीवाश्म इंधनांची जागा घेण्याइतकी अजून जास्त नसली तरी, कमी होत चाललेल्या रासायनिक इंधनांप्रमाणे नसून, सौर पेशींसाठी ऊर्जेचा स्रोत अमर्याद आहे. आपण वापरत असलेल्या जीवाश्म इंधनांच्या विपरीत, सौर ऊर्जेला एक स्वच्छ ऊर्जा स्रोत मानले जाते आणि हरितगृह वायू उत्सर्जन कमी करण्याच्या जागतिक प्रयत्नांमध्ये ती महत्त्वपूर्ण योगदान देऊ शकते. परिणामी, सौर पेशी तंत्रज्ञान ऊर्जा क्षेत्रात नवनवीन शोधांना चालना देत आहे आणि विविध उद्योगांमध्ये महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावेल अशी अपेक्षा आहे. शिवाय, विविध तत्त्वांवर कार्य करणाऱ्या सौर पेशींचा उदय आणि या पेशींची सतत वाढणारी कार्यक्षमता, पुढील संशोधन, विकास आणि व्यावहारिक उपयोगाची क्षमता दर्शवते. लवकरच आपल्याला विविध प्रकारच्या व्यापारीकृत सौर पेशी पाहायला मिळतील.
