સૌર ઉર્જાને વિદ્યુત ઉર્જામાં રૂપાંતરિત કરવાની પ્રક્રિયા કેવી રીતે કાર્ય કરે છે

આપણામાંના ઘણાએ એક યા બીજી રીતે સૌર કોષોનો સામનો કર્યો છે. કોઈએ ઘરગથ્થુ હેતુઓ માટે વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે સૌર પેનલનો ઉપયોગ કર્યો છે અથવા કરી રહ્યો છે, કોઈએ ખેતરમાં તેમના મનપસંદ ગેજેટને ચાર્જ કરવા માટે નાની સોલાર પેનલનો ઉપયોગ કર્યો છે, અને કોઈએ ચોક્કસપણે માઇક્રો કેલ્ક્યુલેટર પર એક નાનો સોલર સેલ જોયો છે. કેટલાક તેમની મુલાકાત લેવા માટે પણ નસીબદાર હતા સૌર ઊર્જા પ્લાન્ટ. 

પરંતુ શું તમે ક્યારેય વિચાર્યું છે કે સૌર ઊર્જાને વીજળીમાં રૂપાંતરિત કરવાની પ્રક્રિયા કેવી રીતે કામ કરે છે? આ બધા સૌર કોષોના સંચાલનમાં કઈ ભૌતિક ઘટના છે? ચાલો ભૌતિકશાસ્ત્ર તરફ વળીએ અને પેઢીની પ્રક્રિયાને વિગતવાર સમજીએ.

શરૂઆતથી જ તે સ્પષ્ટ છે કે અહીં ઊર્જાનો સ્ત્રોત સૂર્યપ્રકાશ છે અથવા, વૈજ્ઞાનિક રીતે કહીએ તો, વિદ્યુત ઊર્જા સૌર કિરણોત્સર્ગના ફોટોનને કારણે ઉત્પન્ન થાય છે. આ ફોટોનને સૂર્યમાંથી સતત ફરતા પ્રાથમિક કણોના પ્રવાહ તરીકે રજૂ કરી શકાય છે, જેમાંના દરેકમાં ઊર્જા હોય છે, અને તેથી સમગ્ર પ્રકાશ પ્રવાહ અમુક પ્રકારની ઊર્જા વહન કરે છે.

સૂર્યની સપાટીના પ્રત્યેક ચોરસ મીટરમાંથી 63 મેગાવોટ ઊર્જા સતત રેડિયેશનના રૂપમાં ઉત્સર્જિત થાય છે! આ કિરણોત્સર્ગની મહત્તમ તીવ્રતા દૃશ્યમાન સ્પેક્ટ્રમની શ્રેણી પર પડે છે - 400 થી 800 nm સુધીની તરંગલંબાઇ. 

તેથી, વૈજ્ઞાનિકોએ શોધી કાઢ્યું છે કે સૂર્યથી પૃથ્વીના અંતરે સૂર્યપ્રકાશના પ્રવાહની ઊર્જા ઘનતા 149600000 કિલોમીટર છે, વાતાવરણમાંથી પસાર થયા પછી, અને આપણા ગ્રહની સપાટી પર પહોંચ્યા પછી, સરેરાશ 900 વોટ પ્રતિ ચોરસ. મીટર

અહીં તમે આ ઉર્જા સ્વીકારી શકો છો અને તેમાંથી વીજળી મેળવવાનો પ્રયાસ કરી શકો છો, એટલે કે, સૂર્યના પ્રકાશ પ્રવાહની ઊર્જાને ગતિશીલ ચાર્જ્ડ કણોની ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરવા માટે, બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, વીજળી. 

પ્રકાશને વીજળીમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે, અમને ફોટોઇલેક્ટ્રિક કન્વર્ટરની જરૂર છે... આવા કન્વર્ટર ખૂબ જ સામાન્ય છે, તેઓ મુક્ત વેપારમાં જોવા મળે છે, આ કહેવાતા સૌર કોષો છે - સિલિકોનમાંથી કાપવામાં આવેલી પ્લેટોના સ્વરૂપમાં ફોટોવોલ્ટેઇક કન્વર્ટર.

શ્રેષ્ઠ મોનોક્રિસ્ટાલિન છે, તેમની કાર્યક્ષમતા લગભગ 18% છે, એટલે કે, જો સૂર્યમાંથી આવતા ફોટોન પ્રવાહની ઊર્જા ઘનતા 900 W/m2 હોય, તો તમે ચોરસ મીટરના ચોરસ મીટરમાંથી 160 W વીજળી મેળવવાની ગણતરી કરી શકો છો. આવા કોષોમાંથી એસેમ્બલ બેટરી.

"ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇફેક્ટ" નામની ઘટના અહીં કામ કરે છે. ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર અથવા ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર - આ પ્રકાશ અથવા અન્ય ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનના પ્રભાવ હેઠળ પદાર્થમાંથી ઇલેક્ટ્રોનના ઉત્સર્જનની ઘટના છે (પદાર્થના અણુઓમાંથી ઇલેક્ટ્રોન અલગ થવાની ઘટના).

પહેલેથી જ 1900 માંક્વોન્ટમ ફિઝિક્સના પિતા મેક્સ પ્લાન્કે સૂચવ્યું હતું કે પ્રકાશ વ્યક્તિગત કણો, અથવા ક્વોન્ટા દ્વારા ઉત્સર્જિત અને શોષાય છે, જેને પાછળથી, 1926 માં, રસાયણશાસ્ત્રી ગિલ્બર્ટ લુઈસ "ફોટોન્સ" કહે છે.

દરેક ફોટોનમાં ઊર્જા હોય છે જે E = hv — પ્લાન્કના સતત ઉત્સર્જનની આવર્તન દ્વારા ગુણાકાર દ્વારા નક્કી કરી શકાય છે.

મેક્સ પ્લાન્કના વિચારને અનુરૂપ, હર્ટ્ઝ દ્વારા 1887માં શોધાયેલ અને પછી સ્ટોલેટોવ દ્વારા 1888 થી 1890 સુધી સંપૂર્ણ રીતે અભ્યાસ કરાયેલી ઘટના સમજાવી શકાય તેવું બને છે. એલેક્ઝાન્ડર સ્ટોલેટોવે પ્રાયોગિક રીતે ફોટોઈલેક્ટ્રીક અસરનો અભ્યાસ કર્યો અને ફોટોઈલેક્ટ્રીક ઈફેક્ટના ત્રણ નિયમો સ્થાપિત કર્યા (સ્ટોલેટોવના કાયદા):

• ફોટોકેથોડ પર પડતા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનની સતત સ્પેક્ટ્રલ રચનામાં, સંતૃપ્તિ ફોટોક્યુરન્ટ કેથોડ ઇરેડિયેશનના પ્રમાણમાં હોય છે (અન્યથા: 1 સેમાં કેથોડમાંથી બહાર ફેંકાયેલા ફોટોઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા રેડિયેશનની તીવ્રતાના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે).

• ફોટોઈલેક્ટ્રોનની મહત્તમ પ્રારંભિક ઝડપ ઘટના પ્રકાશની તીવ્રતા પર આધારિત નથી, પરંતુ તેની આવર્તન દ્વારા જ નક્કી કરવામાં આવે છે.

• દરેક પદાર્થ માટે ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસરની લાલ મર્યાદા હોય છે, એટલે કે, પ્રકાશની ન્યૂનતમ આવર્તન (પદાર્થની રાસાયણિક પ્રકૃતિ અને સપાટીની સ્થિતિ પર આધાર રાખીને) જેની નીચે ફોટોઇફેક્ટ અશક્ય છે.

પાછળથી, 1905 માં, આઈન્સ્ટાઈન ફોટોઈલેક્ટ્રીક અસરના સિદ્ધાંતને સ્પષ્ટ કરશે. તે બતાવશે કે કેવી રીતે પ્રકાશની ક્વોન્ટમ થિયરી અને ઊર્જાના સંરક્ષણ અને રૂપાંતરણનો કાયદો સંપૂર્ણ રીતે સમજાવે છે કે શું થાય છે અને શું અવલોકન કરવામાં આવે છે. આઈન્સ્ટાઈન ફોટોઈલેક્ટ્રીક ઈફેક્ટ માટે સમીકરણ લખશે, જેના માટે તેમણે 1921માં નોબેલ પુરસ્કાર જીત્યો:

કાર્ય કાર્યો અને અહીં લઘુત્તમ કાર્ય છે જે ઇલેક્ટ્રોને પદાર્થના અણુને છોડવા માટે કરવું જોઈએ.બીજો શબ્દ બહાર નીકળ્યા પછી ઇલેક્ટ્રોનની ગતિ ઊર્જા છે.

એટલે કે, ફોટોન અણુના ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા શોષાય છે, તેથી અણુમાં ઇલેક્ટ્રોનની ગતિ ઊર્જા શોષિત ફોટોનની ઊર્જાના જથ્થા દ્વારા વધે છે.

આ ઉર્જાનો એક ભાગ અણુમાંથી ઈલેક્ટ્રોન છોડવામાં ખર્ચવામાં આવે છે, ઈલેક્ટ્રોન પરમાણુ છોડી દે છે અને તેને મુક્તપણે ખસેડવાની તક મળે છે. અને નિર્દેશિત મૂવિંગ ઇલેક્ટ્રોન ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ અથવા ફોટોકરન્ટ સિવાય બીજું કંઈ નથી. પરિણામે, અમે ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસરના પરિણામે પદાર્થમાં ઇએમએફના દેખાવ વિશે વાત કરી શકીએ છીએ.

એટલે કે, સૌર બેટરી તેમાં કાર્યરત ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસરને કારણે કામ કરે છે. પરંતુ ફોટોવોલ્ટેઇક કન્વર્ટરમાં "નોક આઉટ" ઇલેક્ટ્રોન ક્યાં જાય છે? ફોટોવોલ્ટેઇક કન્વર્ટર અથવા સોલર સેલ અથવા ફોટોસેલ છે સેમિકન્ડક્ટર, તેથી, ફોટો ઇફેક્ટ તેમાં અસામાન્ય રીતે જોવા મળે છે, તે આંતરિક ફોટો ઇફેક્ટ છે, અને તેનું વિશેષ નામ "વાલ્વ ફોટો ઇફેક્ટ" પણ છે.

સૂર્યપ્રકાશના પ્રભાવ હેઠળ, સેમિકન્ડક્ટરના પીએન જંકશનમાં ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર થાય છે અને ઇએમએફ દેખાય છે, પરંતુ ઇલેક્ટ્રોન ફોટોસેલ છોડતા નથી, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન શરીરના એક ભાગને છોડીને બીજા ભાગમાં જાય છે ત્યારે બધું અવરોધિત સ્તરમાં થાય છે. તેનો ભાગ.

પૃથ્વીના પોપડામાં સિલિકોન તેના દળના 30% છે, તેથી જ તેનો ઉપયોગ દરેક જગ્યાએ થાય છે. સામાન્ય રીતે સેમિકન્ડક્ટર્સની વિશિષ્ટતા એ હકીકતમાં રહેલી છે કે તેઓ ન તો વાહક છે કે ન તો ડાઇલેક્ટ્રિક્સ, તેમની વાહકતા અશુદ્ધિઓની સાંદ્રતા, તાપમાન અને રેડિયેશનની અસર પર આધારિત છે.

સેમિકન્ડક્ટરમાં બેન્ડગેપ થોડા ઇલેક્ટ્રોન વોલ્ટ છે, અને તે માત્ર અણુઓના ઉપલા વેલેન્સ બેન્ડ સ્તર વચ્ચેનો ઉર્જા તફાવત છે, જેમાંથી ઇલેક્ટ્રોન પાછા ખેંચાય છે, અને નીચલા વહન સ્તર. સિલિકોન પાસે 1.12 eV નો બેન્ડગેપ છે - જે સૌર કિરણોત્સર્ગને શોષવા માટે જરૂરી છે.

તેથી pn જંકશન. ફોટોસેલમાં ડોપેડ સિલિકોન સ્તરો pn જંકશન બનાવે છે. અહીં ઇલેક્ટ્રોન માટે ઊર્જા અવરોધ છે, તેઓ વેલેન્સ બેન્ડ છોડીને માત્ર એક જ દિશામાં આગળ વધે છે, છિદ્રો વિરુદ્ધ દિશામાં આગળ વધે છે. આ રીતે સોલાર સેલમાં કરંટ મળે છે, એટલે કે સૂર્યપ્રકાશમાંથી વીજળી ઉત્પન્ન થાય છે.

pn જંકશન, ફોટોનની ક્રિયાના સંપર્કમાં આવે છે, તે ચાર્જ કેરિયર્સ - ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોને - માત્ર એક દિશા સિવાય અન્ય રીતે આગળ વધવાની મંજૂરી આપતું નથી, તેઓ અલગ પડે છે અને અવરોધની વિરુદ્ધ બાજુઓ પર સમાપ્ત થાય છે. અને જ્યારે ઉપલા અને નીચલા ઇલેક્ટ્રોડ દ્વારા લોડ સર્કિટ સાથે જોડાયેલ હોય, ત્યારે ફોટોવોલ્ટેઇક કન્વર્ટર, જ્યારે સૂર્યપ્રકાશના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે બાહ્ય સર્કિટમાં સર્જન કરશે. સીધો વિદ્યુત પ્રવાહ.