સૌર પેનલ્સ માટે ફોટોવોલ્ટેઇક કોષોનું ઉત્પાદન

કોઈપણ ફોટોવોલ્ટેઇક ઇન્સ્ટોલેશનનો આધાર હંમેશા ફોટોવોલ્ટેઇક મોડ્યુલ હોય છે. ફોટોવોલ્ટેઇક મોડ્યુલ એ ફોટોવોલ્ટેઇક કોષોનું સંયોજન છે જે ઇલેક્ટ્રિકલી એકસાથે જોડાયેલ છે. ફોટોવોલ્ટેઇક શબ્દમાં બે શબ્દોનો સમાવેશ થાય છે «ફોટો» (ગ્રીકમાંથી. લાઇટ) અને «વોલ્ટ» (એલેસાન્ડ્રો વોલ્ટા - 1745-1827, ઇટાલિયન ભૌતિકશાસ્ત્રી) - ઇલેક્ટ્રિકલ એન્જિનિયરિંગમાં વોલ્ટેજ માટે માપનનું એકમ. ફોટોવોલ્ટેઇક શબ્દનું વિશ્લેષણ કરીને, આપણે કહી શકીએ - તે છે પ્રકાશને વીજળીમાં રૂપાંતરિત કરે છે.

ફોટોવોલ્ટેઇક સેલ (સૌર સેલ) નો ઉપયોગ સૌર કિરણોત્સર્ગને રૂપાંતરિત કરીને વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે થાય છે. ફોટોસેલને n-ટાઈપ અને પી-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટરના બનેલા ડાયોડ તરીકે વિચારી શકાય છે જેમાં વાહક-ક્ષીણ પ્રદેશ રચાય છે, તેથી અપ્રકાશિત ફોટોસેલ એ ડાયોડ જેવો છે અને તેને ડાયોડ તરીકે વર્ણવી શકાય છે.

1 અને 3 eV વચ્ચેની પહોળાઈ ધરાવતા સેમિકન્ડક્ટર માટે, મહત્તમ સૈદ્ધાંતિક કાર્યક્ષમતા 30% સુધી પહોંચી શકાય છે. બેન્ડ ગેપ એ ન્યૂનતમ ફોટોન ઉર્જા છે જે ઈલેક્ટ્રોનને વેલેન્સ બેન્ડમાંથી વહન બેન્ડ સુધી ઉપાડી શકે છે. સૌથી સામાન્ય વ્યાપારી સૌર કોષો છે ચકમક તત્વો.

સિલિકોન મોનોક્રિસ્ટલ્સ અને પોલીક્રિસ્ટલ્સ. સિલિકોન આજે ફોટોવોલ્ટેઇક મોડ્યુલોના ઉત્પાદન માટે સૌથી સામાન્ય તત્વોમાંનું એક છે. જો કે, સૌર કિરણોત્સર્ગના ઓછા શોષણને કારણે, સિલિકોન ક્રિસ્ટલ સૌર કોષો સામાન્ય રીતે 300 µm પહોળા બનાવવામાં આવે છે. સિલિકોન મોનોક્રિસ્ટલાઇન ફોટોસેલની કાર્યક્ષમતા 17% સુધી પહોંચે છે.

જો આપણે પોલીક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ફોટોસેલ લઈએ, તો તેની કાર્યક્ષમતા મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન કરતા 5% ઓછી છે. પોલીક્રિસ્ટલની અનાજની સીમા એ ચાર્જ કેરિયર્સનું પુનઃસંયોજન કેન્દ્ર છે. પોલીક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન સ્ફટિકોનું કદ અમુક મીમીથી એક સેમી સુધી બદલાઈ શકે છે.

ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAs). ગેલિયમ આર્સેનાઇડ સૌર કોષો પહેલાથી જ પ્રયોગશાળાની પરિસ્થિતિઓમાં 25% ની કાર્યક્ષમતા દર્શાવે છે. ગેલિયમ આર્સેનાઈડ, ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક્સ માટે વિકસિત, મોટી માત્રામાં ઉત્પાદન કરવું મુશ્કેલ છે અને સૌર કોષો માટે ખૂબ ખર્ચાળ છે. ગેલિયમ આર્સેનાઇડ સૌર કોષો લાગુ કરવામાં આવે છે સૌર કેન્દ્રીકરણ સાથે, તેમજ કોસ્મોનોટીક્સ માટે.

પાતળી ફિલ્મ ફોટોસેલ ટેકનોલોજી. સિલિકોન કોષોનો મુખ્ય ગેરલાભ એ તેમની ઊંચી કિંમત છે. આકારહીન સિલિકોન (a-Si), કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ (CdTe) અથવા કોપર-ઇન્ડિયમ ડિસેલિનાઇડ (CuInSe2) થી બનેલા પાતળા-ફિલ્મ કોષો ઉપલબ્ધ છે. પાતળી ફિલ્મ સોલાર સેલનો ફાયદો એ છે કે સિલિકોન સોલાર સેલની સરખામણીમાં કાચા માલની બચત અને સસ્તું ઉત્પાદન. તેથી, અમે કહી શકીએ કે પાતળા-ફિલ્મ ઉત્પાદનોમાં ફોટોસેલ્સમાં ઉપયોગની સંભાવના છે.

નુકસાન એ છે કે કેટલીક સામગ્રી તદ્દન ઝેરી હોય છે, તેથી ઉત્પાદન સલામતી અને રિસાયક્લિંગ મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. વધુમાં, ટેલ્યુરાઇડ એ સિલિકોનની તુલનામાં ઘટતું સ્ત્રોત છે.પાતળા-ફિલ્મ ફોટોસેલ્સની કાર્યક્ષમતા 11% (CuInSe2) સુધી પહોંચે છે.

1960 ના દાયકાની શરૂઆતમાં, સૌર કોષોની કિંમત આશરે $1,000/W પીક પાવર હતી અને મોટાભાગે અવકાશમાં ઉત્પાદિત કરવામાં આવી હતી. 1970ના દાયકામાં, ફોટોસેલ્સનું મોટા પાયે ઉત્પાદન શરૂ થયું અને તેની કિંમત ઘટીને $100/W થઈ ગઈ. વધુ પ્રગતિ અને ફોટોસેલ્સની કિંમતમાં ઘટાડાથી ઘરની જરૂરિયાતો માટે ફોટોસેલ્સનો ઉપયોગ કરવાનું શક્ય બન્યું. ખાસ કરીને પાવર લાઇનથી દૂર રહેતા વસ્તીના એક ભાગ માટે અને પ્રમાણભૂત વીજ પુરવઠો, ફોટોવોલ્ટેઇક મોડ્યુલો સારો વિકલ્પ બની ગયા છે.

ફોટો પ્રથમ સિલિકોન-આધારિત સૌર સેલ દર્શાવે છે. તે 1956 માં અમેરિકન કંપની બેલ લેબોરેટરીઝના વૈજ્ઞાનિકો અને એન્જિનિયરો દ્વારા બનાવવામાં આવ્યું હતું. સોલાર સેલ એ એક બીજા સાથે ઇલેક્ટ્રિકલી રીતે જોડાયેલા ફોટોવોલ્ટેઇક મોડ્યુલોનું સંયોજન છે. વર્તમાન અને વોલ્ટેજ જેવા જરૂરી વિદ્યુત પરિમાણોના આધારે સંયોજન પસંદ કરવામાં આવે છે. આવી સૌર બેટરીનો એક સેલ, 1 વોટ કરતાં ઓછી વીજળી ઉત્પન્ન કરે છે, તેની કિંમત $250 છે. પરંપરાગત ગ્રીડમાંથી ઉત્પાદિત વીજળી 100 ગણી મોંઘી હતી.

લગભગ 20 વર્ષોથી, સોલાર પેનલનો ઉપયોગ માત્ર જગ્યા માટે કરવામાં આવે છે. 1977માં, વીજળીની કિંમત ઘટીને $76 પ્રતિ વોટ સેલ કરવામાં આવી હતી. કાર્યક્ષમતા ધીમે ધીમે વધી: 1990 ના દાયકાના મધ્યમાં 15% અને 2000 સુધીમાં 20%. આ વિષય પર વર્તમાન સૌથી સુસંગત ડેટા —સૌર કોષો અને મોડ્યુલોની કાર્યક્ષમતા

સિલિકોન સૌર કોષોના ઉત્પાદનને આશરે ત્રણ મુખ્ય તબક્કામાં વિભાજિત કરી શકાય છે:

• ઉચ્ચ શુદ્ધતા સિલિકોનનું ઉત્પાદન;

• પાતળા સિલિકોન વોશર્સ બનાવવા;

• ફોટોસેલની સ્થાપના.

ઉચ્ચ શુદ્ધતા સિલિકોનના ઉત્પાદન માટે મુખ્ય કાચો માલ ક્વાર્ટઝ રેતી (SiO2)2) છે. ઓગળવું વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દ્વારા મેળવવામાં આવે છે ધાતુશાસ્ત્રીય સિલિકોનજે 98% સુધીની શુદ્ધતા ધરાવે છે. સિલિકોન પુનઃપ્રાપ્તિ પ્રક્રિયા ત્યારે થાય છે જ્યારે રેતી 1800 ડિગ્રી સેલ્સિયસના ઊંચા તાપમાને કાર્બન સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે:

ફોટોસેલના ઉત્પાદન માટે શુદ્ધતાની આ ડિગ્રી પૂરતી નથી, તેથી તેની આગળ પ્રક્રિયા કરવી આવશ્યક છે. સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગ માટે સિલિકોનનું વધુ શુદ્ધિકરણ સિમેન્સ દ્વારા વિકસિત તકનીકનો ઉપયોગ કરીને સમગ્ર વિશ્વમાં વ્યવહારીક રીતે કરવામાં આવે છે.

"સીમેન્સ પ્રક્રિયા" હાઇડ્રોક્લોરિક એસિડ સાથે મેટલર્જિકલ સિલિકોનની પ્રતિક્રિયા દ્વારા સિલિકોનનું શુદ્ધિકરણ છે, જેના પરિણામે ટ્રાઇક્લોરોસિલેન (SiHCl3):

ટ્રાઇક્લોરોસિલેન (SiHCl3) પ્રવાહી તબક્કામાં છે, તેથી તે સરળતાથી હાઇડ્રોજનથી અલગ થઈ જાય છે. વધુમાં, ટ્રાઇક્લોરોસિલેનનું વારંવાર નિસ્યંદન તેની શુદ્ધતા 10-10% સુધી વધે છે.

અનુગામી પ્રક્રિયા — શુદ્ધિકરણ ટ્રાઇક્લોરોસિલેનનું પાયરોલિસિસ — ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળા પોલીક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનનું ઉત્પાદન કરવા માટે વપરાય છે. પરિણામી પોલિક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં ઉપયોગ માટેની શરતોને પૂર્ણપણે પૂર્ણ કરતું નથી, પરંતુ સૌર ફોટોવોલ્ટેઇક ઉદ્યોગ માટે, સામગ્રીની ગુણવત્તા પૂરતી છે.

પોલિક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન એ મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનના ઉત્પાદન માટે કાચો માલ છે. મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનના ઉત્પાદન માટે બે પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે - ઝોક્રાલસ્કી પદ્ધતિ અને ઝોન મેલ્ટિંગ પદ્ધતિ.

ઝોક્રાલસ્કીની પદ્ધતિ ઊર્જા સઘન તેમજ સામગ્રી સઘન છે. પ્રમાણમાં ઓછી માત્રામાં પોલિક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ક્રુસિબલમાં ચાર્જ થાય છે અને શૂન્યાવકાશ હેઠળ ઓગળે છે.મોનોસિલિકોનનું એક નાનું બીજ પીગળવાની સપાટી પર પડે છે અને પછી, સપાટીના તાણના બળને કારણે, નળાકાર પિંડને તેની પાછળ ખેંચીને, વળીને, વધે છે.

હાલમાં, દોરેલા ઇંગોટ્સનો વ્યાસ 300 મીમી સુધીનો છે. 100-150 મીમીના વ્યાસવાળા ઇંગોટ્સની લંબાઈ 75-100 સે.મી. સુધી પહોંચે છે. વિસ્તરેલ ઇંગોટનું સ્ફટિક માળખું બીજની મોનોક્રિસ્ટલાઇન રચનાને પુનરાવર્તિત કરે છે. ઇન્ગોટનો વ્યાસ અને લંબાઈ વધારવી, તેમજ તેના કટીંગની તકનીકમાં સુધારો કરવાથી કચરાના પ્રમાણમાં ઘટાડો થશે, આમ પરિણામી ફોટોસેલ્સની કિંમતમાં ઘટાડો થશે.

બેલ્ટ ટેકનોલોજી. મોબિલ સોલાર એનર્જી કોર્પોરેશન દ્વારા વિકસિત તકનીકી પ્રક્રિયા પીગળવામાંથી સિલિકોન સ્ટ્રીપ્સ ખેંચવા અને તેના પર સૌર કોષો બનાવવા પર આધારિત છે. મેટ્રિક્સ આંશિક રીતે સિલિકોન મેલ્ટમાં ડૂબી જાય છે અને રુધિરકેશિકા અસરને કારણે, પોલીક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન વધે છે, રિબન બનાવે છે. મેલ્ટ સ્ફટિકીકરણ કરે છે અને મેટ્રિક્સમાંથી દૂર કરવામાં આવે છે. ઉત્પાદકતા વધારવા માટે, સાધનોની રચના કરવામાં આવી છે, જેના પર એક જ સમયે નવ બેલ્ટ પ્રાપ્ત કરવાનું શક્ય છે. પરિણામ નવ બાજુવાળા પ્રિઝમ છે.

બેલ્ટનો ફાયદો એ છે કે તે ઓછા ખર્ચે છે કારણ કે પિંડને કાપવાની પ્રક્રિયાને બાકાત રાખવામાં આવી છે. વધુમાં, લંબચોરસ ફોટોવોલ્ટેઇક કોશિકાઓ સરળતાથી મેળવી શકાય છે, જ્યારે મોનોક્રિસ્ટલાઇન પ્લેટોનો ગોળાકાર આકાર ફોટોવોલ્ટેઇક મોડ્યુલમાં ફોટોવોલ્ટેઇક સેલના સારા પ્લેસમેન્ટમાં ફાળો આપતો નથી.

પરિણામી પોલિક્રિસ્ટલાઇન અથવા મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન સળિયાને પછી 0.2-0.4 મીમી જાડા પાતળા વેફરમાં કાપવા જોઈએ. મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનની સળિયાને કાપતી વખતે, લગભગ 50% સામગ્રી ખોટમાં જાય છે.ઉપરાંત, રાઉન્ડ વૉશર્સ હંમેશા નથી, પરંતુ ઘણીવાર, ચોરસ આકાર બનાવવા માટે કાપવામાં આવે છે.