सौर विद्युत् घट

सौर विद्युत्घट :  या प्रयुक्तीमध्ये सूर्यप्रकाशाच्या ऊर्जेचे विजेत रूपांतर होते. या ⇨ अर्धसंवाहक विद्युतीय प्रस्थानक (संधी) प्रयुक्तीमध्ये प्रकाशातील प्रारणशील ऊर्जा कार्यक्षम रीतीने शोषली जाते व नंतर तिचे विद्युत् ऊर्जेत परिवर्तन होते. सौर विद्युत् घटावर सूर्याचा वा इतर प्रकाश पडला की यात विद्युत् दाब निर्माण होतो. प्रकाश पडलेला असेपर्यंतच हा विद्युत् दाब टिकून राहतो. अशी वीजनिर्मिती होत असताना या घटात कोणताही रासायनिक बदल होत नाही. त्यामुळे हा घट अमर्याद काळापर्यंत कार्य करू शकतो. सौर विद्युत् घट प्रकाश-अभिज्ञातक (ओळखणारा) घटक म्हणून कॅमेऱ्यासारख्या साधनांत वापरतात. गणक यंत्रे, मणगटी घड्याळे, दिवे वगैरेंमध्येही हा वापरता येतो. अधिक विद्युत् शक्ती-निर्मितीसाठी सौर विद्युत् घट एकसरीत वा अनेकसरीत किंवा यांच्या संयुक्त पद्धतीत जोडून अपेक्षित मूल्याचा विद्युत् प्रवाह व विद्युत् दाब मिळविता येतो. अशा रीतीने अवकाशयाने, मोठे दिवे, पाणी तापविण्याची साधने इत्यादींमध्ये सौर विद्युत् घट वापरतात.

बहुतेक सौर विद्युत् घट सिलिकॉनाच्या एका स्फटिकापासून तयार होतात. मात्र सौर विद्युत् घट महाग असल्याने त्यांच्यापासून मिळणारी  वीज ही खनिज तेल, दगडी कोळसा, नैसर्गिक वायू इत्यादींपासून मिळणार्‍या नेहमीच्या विजेपेक्षा खूप महाग पडते म्हणून त्यांचा उपयोग कृत्रिम उपग्रह, दूरवरचे प्रदेश इ. ठिकाणी करतात. कारण अशा ठिकाणी परंपरागत स्वस्त ऊर्जास्रोत उपलब्ध नसतात. सौर विद्युत् घटाचा उत्पादन खर्च कमी करण्यावर संशोधनात भर देण्यात येत आहे. यासाठी सौर विद्युत् घटाच्या कार्यमानात सुधारणा करण्याचे आणि कच्चा माल व उत्पादन यांचा खर्च कमी करण्यासाठी प्रयत्न होत आहेत. याचा एक मार्ग म्हणजे आरसे किंवा फ्रेनेल भिंगे यांसारखे प्रकाशाचे केंद्रीकरण करणारे घटक त्यात वापरतात. फ्रेनेल भिंगांच्या पायर्‍यांसारख्या रचनेमुळे त्याचे प्रकाशकीय गुणधर्म पुष्कळच अधिक जाड भिंगासारखे असतात. त्यांच्यामुळे अधिक कमी क्षेत्रफळाच्या सौर विद्युत् घटावर सूर्यप्रकाश केंद्रित करता येतो.

सिलिकॉनाचा एकटा स्फटिक महाग असल्याने त्याऐवजी अस्फटिकी किंवा बहुस्फटिकी सिलिकॉन, गॅलियम आर्सेनाइड, कॅडमियम सल्फाइड किंवा इतर संयुगे वापरतात.

सौरप्रारण : पृथ्वीच्या वातावरणापलीकडील सूर्यप्रकाशाची तीव्रता व गुणवत्ता (गुण) या त्याच्या भूपृष्ठावरील तीव्रता व गुणवत्ता यांच्यापेक्षा नाट्यमय रीत्या भिन्न असतात. पृथ्वीच्या वातावरणात शिरल्यावर सूर्य-प्रकाशाच्या प्रत्येक ऊर्जेतील फोटॉनांची (प्रकाशकणांची) संख्या घटते. परावर्तन, प्रकीर्णन (विखुरले जाण्याची क्रिया) किंवा पाण्याची वाफ व इतर वायूंमार्फत होणारे शोषण यांच्यामुळे ही घट होते.अशा रीतीने वातावरणाबाहेरील लंब आपतन असताना सौर ऊर्जा दर चौ. मी. ला १·३६ किवॉ. (सौरांक) असते तर स्वच्छ वातावरण असताना भूपृष्ठावर दुपारी पडणाऱ्या सूर्यप्रकाशाची तीव्रता दर चौ. मी. ला सु. १ किवॉ. असते.

स्वच्छ दिवसांमध्ये थेट प्रारण हे प्रसृत (पसरलेल्या) प्रारणाच्या सु. दहापट जास्त असते परंतु ढगाळ दिवसांमध्ये सूर्यप्रकाश पूर्णपणे प्रसृत होतो. भूपृष्ठावर पडणारी माध्य वार्षिक सौर ऊर्जा स्थानांनुसार मोठ्या प्रमाणात बदलते. क्षितिज समांतर पृष्ठावर पडणाऱ्या संपूर्ण सूर्यप्रकाशापैकी दर चौ. मी. ला सु. २५०० किवॉ. तास सूर्यप्रकाश सर्वाधिक सूर्यप्रकाश पडणाऱ्या जगातील प्रदेशांत दरवर्षी पडतो. पृथ्वीवर दरवर्षी सु. १०^१८ किवॉ. तास सौर ऊर्जा पडते. दरवर्षी जगात सु. ८० X १०^१२ किवॉ. तास ऊर्जेचा खप वा वापर होतो. म्हणून जगात वापरण्यात येणारी ऊर्जा ही एकूण भूपृष्ठाच्या सु. ०·००८% भूपृष्ठावर पडणाऱ्या सूर्यप्रकाशाएवढीच आहे.

सौरविद्युत्घटाच्याकार्यामागीलतत्त्वे : सौर विद्युत् घटात सूर्यप्रकाशाचे विद्युत् ऊर्जेत परिवर्तन होताना पुढील तीन प्रमुख प्रक्रिया घडतात : (१) सूर्यप्रकाशाचे अर्धसंवाहक द्रव्यात (निरोधक व संवाहक यांच्या दरम्यानची विद्युत् संवाहकता असलेल्या द्रव्यात) शोषण होणे (२) मुक्त धन व ऋण विद्युत् भारांची निर्मिती होऊन सौर विद्युत् घटाच्या भिन्न भागांत ते अलग होणे व यामुळे सौर विद्युत् घटात विद्युत् दाब निर्माण होणे आणि (३) हे अलग केलेले विद्युत् भार विद्युत् अग्रांमार्फत विद्युत् प्रवाहाच्या रूपात बाहेरील अनुप्रयुक्तीकडे स्थानांतरित होणे.

पहिल्या प्रक्रियेत सूर्यप्रकाशी तीव्रता व गुणवत्ता, सौर विद्युत घटाच्या पुढील (समोरच्या) पृष्ठभागाकडून परावर्तित होणाऱ्या प्रकाशाचे प्रमाण, अर्धसंवाहक-पट्ट-फटऊर्जा हिी द्रव्याकडून शोषली जाणारी किमान प्रकाश (फोटॉन) ऊर्जा] असते आणि स्तराची जाडी यांच्यावर सौर विद्युत् घटाकडून सूर्यप्रकाशाचे होणारे शोषण अवलंबून असते. बहुतेक सर्व सूर्यप्रकाशाचे शोषण करण्यासाठी सिलिकॉनासारख्या द्रव्याच्या स्तराची जाडी काही दशक मायक्रोमीटर एवढी असणे आवश्यक असते तर गॅलियम आर्सेनाइड, कॅडमियम टेल्युराइड व कॉपर सल्फाइड यांच्या स्तराची जाडी काही मायक्रोमीटर असणे आवश्यक असते.

जेव्हा अर्धसंवाहकात सूर्यप्रकाश शोषला जातो, तेव्हा ऋण विद्युत् भारित इलेक्ट्रॉन आणि धन विद्युत् भारित बिंदू (होल) निर्माण होतात. विद्युतीय प्रस्थानक (संधी) हे सौर विद्युत घटाचे मर्मस्थान असून ते प्रकाशामुळे निर्माण झालेल्या या इलेक्ट्रॉन व धन विद्युत् भारित बिंदूंना एकमेकांपासून अलग करते. पुढील प्रकारच्या संपर्कांमधून (संयोगांमधून) विद्युतीय प्रस्थानक तयार होऊ शकते : (१) अर्धसंवाहकाशी धातूचा संपर्क होऊन (या प्रस्थानकाला शॉट्की अवरोध वा प्रतिबंध म्हणतात), (२) प्रकाशविद्युत् रासायनिक घट निर्माण होण्यासाठी अर्धसंवाहकाशी द्रवाचा संपर्क होऊन अथवा (३) दोन अर्धसंवाहक भागांमध्ये संपर्क होऊन (याला pn प्रस्थानक म्हणतात).

सिलिकॉन pn प्रस्थानकाद्वारे विद्युतीय प्रस्थानकाची मूलभूत तत्त्वे स्पष्ट करता येतात. शुद्ध सिलिकॉनाच्या पटलात (⟶) आवर्त सारणीच्या पाचव्या गटातील फॉस्फरसासारख्या मूलद्रव्याचे काही अणू अशुद्धीच्या रूपात समाविष्ट केलेले असतात. अशा अर्धसंवाहकाला n – प्रकारचा अर्धसंवाहक म्हणतात व यात विद्युत् प्रवाह मुक्त इलेक्ट्रॉनोनी वाहून नेला जातो. फॉस्फरसाचा प्रत्येक अणू एक मुक्त इलेक्ट्रॉन देतो व मागे राहिलेला फॉस्फरसाचा अणू एकक धन विद्युत् भाराने स्फटीक संरचनेला बद्ध होतो. त्याचप्रमाणे ज्या शुद्ध सिलिकॉन फलकात आवर्त सारणीच्या तिसऱ्या गटातील बोरॉनासारख्या मूलद्रव्याचे काही अणू अशुद्धीच्या रूपात अंतर्भूत केलेले असतात त्याला p – प्रकारचा अर्धसंवाहक म्हणतात व त्याच्यात विद्युत् प्रवाह मुक्त धन विद्युत् भारित बिंदूंनी वाहून नेला जातो. यामुळे मागे एकक ऋण विद्युत् भार असलेला बोरॉनाचा अणू राहतो. p- व n- प्रकारच्या सिलिकॉन फलकांमधील आंतरपृष्ठाला pn प्रस्थानक म्हणतात. बद्ध बोरॉन व फॉस्फरस अणूंमुळे आंतरपृष्ठाशी असलेल्या स्थायी विद्युत् भारामुळे उच्च विद्युतीय क्षेत्र असलेला एक कायमचा द्विध्रुवी विद्युत् भार स्तर निर्माण होतो. जेव्हा सूर्यापासून आलेल्या प्रकाश ऊर्जेच्या फोटॉनामुळे प्रस्थानकाजवळ इलेक्ट्रॉन-धन विद्युत् भारित बिंदू अशा जोड्या निर्माण होतात तेव्हा अंगभूत विद्युतीय क्षेत्र धन विद्युत् भारित बिंदूंना p – बाजूला व इलेक्ट्रॉन n- बाजूला ढकलते (आकृती पहा). मुक्त विद्युत् भारांच्या या विस्थापनामुळे (स्थलांतरणामुळे) स्फटिकाच्या दोन भागांदरम्यान विद्युत् दाबांतील फरक निर्माण होतो. म्हणजे p – भाग धन व n – भाग ऋण विद्युत् भारित होतो. जेव्हा विद्युत् अग्रांशी भार जोडतात तेव्हा इलेक्ट्रॉनांचा प्रवाह बाणाच्या दिशेत वाहतो. आणि भाराच्या ठिकाणी विद्युत् शक्ती उपलब्ध असते. [⟶ अर्धसंवाहक प्रकाशविद्युत].

 गुणवैशिष्ट्ये : नमुनेदार सिलिकॉन पि प्रस्थानक सौर विद्युत् घटाचा मंडल संक्षेप ( लघुपथ) विद्युत् प्रवाह प्रकाशाच्या तीव्रतेच्या सम प्रमाणात असतो व पूर्ण सूर्यप्रकाश असताना त्याचे मूल्य दर चौ. सेंमी. ला २८ मिअँपि. असते (प्रारण दर चौ. मी. ला १००० वॉट). खंडित (अपूर्ण) विद्युत् मंडल विद्युत् दाब अंधुक प्रकाशात तीव्रपणे वाढतो आणि दर चौ.मी. ला २०० व १००० वॉट दरम्यान प्रारणासाठी सु. ०·६ व्होल्टला तो सुपृक्त (कमाल) होतो. पूर्ण सूर्यप्रकाशाने किरणीयन (उद्दीपन) केलेल्या सौर विद्युत् घटातून होणारी कमाल प्रदान शक्ती विद्युत् दाब ०·४५ व्होल्ट असताना दर चौ. सेंमी. ला सु. ११ मिलिवॉट असते.

कार्य करण्याच्या या परिस्थितींमध्ये सौर ऊर्जेचे विद्युतीय ऊर्जेमध्ये परिवर्तन करण्याची सौर विद्युत् घटाची एकूण कार्यक्षमता ११ टक्के असते. अर्थात प्रदान शक्ती तसेच प्रदान विद्युत् प्रवाह किरणीयन झालेल्या पृष्ठभागाच्या क्षेत्रफळाच्या प्रमाणात असतो. त्या अर्थी नेहमीच्या रासायनिक संचायक विद्युत् घटमालेतील प्रमाणेच सौर विद्युत् घट एकसरीत जोडून प्रदान विद्युत् दाब वाढविता येऊ शकतो. १८ टक्क्यांपर्यंत कार्यक्षमता असलेले सिलिकॉन सौर विद्युत् घटांचे प्रायोगिक नमुने तयार केले आहेत परंतु वापरावयाच्या नेहमीच्या स्थितीत व्यापारी सौर विद्युत् घटांची कार्यक्षमता सु. १० ते १२ टक्के एवढी आहे.

सौर विद्युत् घटावर पडणारा प्रकाश तीव्र करण्यासाठी प्रकाशकीय केंद्रीकरणकारकसाधन वापरल्यास सिलिकॉन सौर विद्युत् घटांची कार्य-क्षमता २० टक्क्यांहून अधिक, तर गॅलियम आर्सेनाइड सौर विद्युत् घटांच्या बाबतीत कार्यक्षमता २५ टक्क्यांहून अधिक झाल्याचे आढळले आहे. सौर वर्णपटाचे विच्छेदन (विभाजन) करणे व भिन्न पट्ट-फटींचे पर्याप्तीकरण (इष्टतम) केलेले दोन सौर विद्युत् घट प्रकाशित करणे ही संकल्पना वापरून २८ टक्के कार्यक्षमता साध्य केली आहे. याची अपेक्षित कार्यक्षमता ३५ टक्के आहे. पातळ पटल सौर विद्युत घटांमध्ये ४ ते ९ टक्के कार्यक्षमता साध्य झाली आहे तर कमी खर्चाच्या सौर विद्युत् घटांच्या रचनाव्यूहात (समुच्चयात) १० टक्क्यांहून अधिक कार्यक्षमता अपेक्षित आहे.

रचनाव्यूह : एकेकट्या सिलिकॉन सौर विद्युत् घटाच्या किंवा प्रकाश-विद्युत् चालक घटाच्या पृष्ठभागाच्या क्षेत्रफळाचे आकारमान सु. १०० चौ. सेंमी. असते. परिवर्तन कार्यक्षमतेचा असा घट पूर्णपणे सूर्यप्रकाश असताना ०·५ व्होल्ट विद्युत् दाबाला सु. १·४ वॉट ऊर्जा देऊ शकतो. उच्चतर ऊर्जा (वीज) व उच्चतर विद्युत् दाब मिळविण्यासाठी अनेक घट चौकटीवर (पॅनलवर) किंवा रचनाव्यूहात एकत्र जोडावे लागतात. त्यांचे स्वयंघटक (रचनापरिमाण) सपाट फलक (स्फटिकी सिलिकॉन किंवा पातळ पटल) आणि केंद्रीकरणकारक या दोन मूलभूत प्रकारचे असतात. घटांचा प्रदान विद्युत् दाब अनेक पट वाढविण्यासाठी ते एकसरीत जोडता येतात आणि त्यांचा प्रदान विद्युत् प्रवाह अनेक पटींनी वाढविण्यासाठी ते अनेकसरीत जोडता येतात. एकसरीत कार्य करणारे घट मंडल संक्षेप प्रवाहाच्या बाबतीत अगदी परस्परांशी अतिशय जुळणारे (सुजोड) असावे लागतात. कारण एखाद्या सौर विद्युत् घट रचनाव्यूहाचे एकूण कार्यमान त्यांच्यात सर्वांत कमी विद्युत् प्रवाह असल्याने मर्यादित होते.

उपयोग : प्रकाशविद्युत् चालक परिणामाचा शोध आंत्वान सेझार बेक्रेल यांनी १८३९ मध्ये लावला. तथापि १९५५ पर्यंत सिलिकॉन स्फटिकांपासून तयार केलेले व्यावहारिक उपयोगाचे सौर विद्युत् घट विकसित झाले नव्हते. व्हॅनगार्ड-१ हा कृत्रिम उपग्रह १९५८ साली अवकाशात सोडला त्यावेळी कृत्रिम उपग्रहासाठीचा बहुधा एकमात्र शक्तिउद्गम म्हणून सिलिकॉन सौर विद्युत् घट रचनाव्यूह वापरण्यास सुरुवात झाली.

सौर विद्युत् घट रचनाव्यूह मुख्यतः दूरवरच्या लहान विद्युत् भारांना वीज पुरविण्यासाठी वापरतात. संचायक विद्युत् घटमालांसारख्या प्रचलित साधनांद्वारे अशा प्रकारचा वीजपुरवठा करणे अव्यवहार्य वा खर्चिक ठरते. पुढील प्रकारच्या साधनांना वीज पुरविण्यासाठी सौर विद्युत् घट रचनाव्यूह जगभर वापरतात : दूरवर्ती रेडिओ पुनःप्रेषण, मार्गनिर्देशनाला साहाय्य करणारी साधने, ग्राहोपयोगी वस्तू, रूळमार्गावरील संकेत दिव्यांची यंत्रणा, पाण्याचे पंप, विद्युत् विच्छेदनीय संरक्षक (विद्युत् रासायनिक संक्षारणापासून धातूचे रक्षण करण्यासाठी धातू घटाचा ऋणाग्र म्हणून वापरणे व त्यातील धनाग्र त्यागकारी असतो) प्रयुक्त्या वगैरे. वर उल्लेख केलेल्या बहुतेक उपयोगांमध्ये सूर्यप्रकाश नसतानाही भाराला वीजपुरवठा करणे गरजेचे असते. म्हणून सौर विद्युत् घट रचनाव्यूहाबरोबर संचायक विद्युत् घटमाला सामान्यपणे वापरतात. यामुळे विश्वासार्ह अखंड विद्युत् पुरवठा उपलब्ध होतो. सौर विद्युत् घटांच्या जमिनीवरील वापरांमध्ये पुढील गोष्टींचा फायदेशीर उपयोग होतो. सौर विद्युत् घटांचे रचनाव्यूह सहजपणे उभारता येतात आणि त्यांचे रचनापरिमाण (स्वयंघटक) सहजपणेे अंतर्भूत करता येतात किंचा काढून टाकता येतात. परिणामी विजेच्या बदलणाऱ्या मागण्या भागविता येतात. कृषीविषयक, घरगुती, व्यापारी व औद्योगिक उपयोग यांमध्ये वीजपुरवठा करावयाच्या विद्युत् भारांना जेव्हा प्रत्यावर्ती (उलट सुलट दिशेत बदलणाऱ्या) विद्युत् दाबाची आवश्यकता असते, तेव्हा सौर विद्युत् घट रचनाव्यूहाकडून मिळणाऱ्या एकदिश (एका दिशेत असलेल्या) विद्युत् दाबाचे वापरण्यायोग्य स्थिर प्रत्यावर्ती विद्युत् दाबात परिवर्तन करण्यासाठी स्थिर प्रतिपरिवर्तक वापरतात. असा स्थिर प्रतिपरिवर्तक अखंडित विद्युत् शक्ती प्रणालीत वापरतात.

पहा : अर्धसंवाहक उपग्रह, कृत्रिम प्रकाशविद्युत् विद्युत् विद्युत् घट शक्ति-उद्गम सौर ऊर्जा.

संदर्भ : 1. Green, M. A. Solar Cells, 1982.

           2. Markvart, T. Ed., Solar Electricity, 2000.

           3. Neville, R. C. Solar Energy Conversion : The Solar  Cell, 1995.

           4. Partain, L. D. Ed., Solar Cells and Their Applications, 1995.

           5. Rauschenbach, H. S. Solar Cell Array Design Handbook, 1980.

ठाकूर, अ. ना.

“