સૌર કોષોના પ્રકારો પર ટૂંકી ચર્ચા

સૌર ઉર્જા એક સમયે અદ્યતન અવકાશયાન અને કેટલાક ફેન્સી ગેજેટ્સનું સંરક્ષણ હતું, પરંતુ હવે એવું નથી. છેલ્લા એક દાયકામાં, સૌર ઉર્જા વિશિષ્ટ ઉર્જા સ્ત્રોતમાંથી વૈશ્વિક ઉર્જા લેન્ડસ્કેપના મુખ્ય સ્તંભમાં પરિવર્તિત થઈ છે.

પૃથ્વી લગભગ 173,000TW સોલાર રેડિયેશનના સતત સંપર્કમાં રહે છે, જે વૈશ્વિક સરેરાશ વીજળીની માંગ કરતાં દસ ગણી વધારે છે.

[1] આનો અર્થ એ છે કે સૌર ઉર્જા આપણી તમામ ઉર્જાની જરૂરિયાતોને પૂરી કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે.

2023 ના પ્રથમ અર્ધવાર્ષિક ગાળામાં, સૌર ઊર્જા ઉત્પાદનનો હિસ્સો કુલ યુએસ વીજ ઉત્પાદનમાં 5.77% હતો, જે 2022 માં 4.95% હતો.

[2] જોકે અશ્મિભૂત ઇંધણ (મુખ્યત્વે કુદરતી ગેસ અને કોલસો) 2022 માં યુએસ વીજ ઉત્પાદનમાં 60.4% જેટલો હિસ્સો ધરાવશે,

[૩] પરંતુ સૌર ઉર્જાનો વધતો પ્રભાવ અને સૌર ઉર્જા ટેકનોલોજીનો ઝડપી વિકાસ ધ્યાનને પાત્ર છે.

 

સૌર કોષોના પ્રકાર

 

હાલમાં, બજારમાં સૌર કોષોની ત્રણ મુખ્ય શ્રેણીઓ છે (જેને ફોટોવોલ્ટેઇક (PV) કોષો તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે): સ્ફટિકીય, પાતળી-ફિલ્મ અને ઉભરતી તકનીકો. કાર્યક્ષમતા, ખર્ચ અને આયુષ્યના સંદર્ભમાં આ ત્રણ પ્રકારની બેટરીના પોતાના ફાયદા છે.

 

01 ક્રિસ્ટલ

મોટાભાગની ઘરની છતની સોલાર પેનલ ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનમાંથી બનાવવામાં આવે છે. આ પ્રકારની બેટરીએ તાજેતરના વર્ષોમાં 26% થી વધુ કાર્યક્ષમતા અને 30 વર્ષથી વધુની સેવા જીવન પ્રાપ્ત કરી છે.

[૪] ઘરગથ્થુ સોલાર પેનલ્સની વર્તમાન કાર્યક્ષમતા લગભગ 22% છે.

 

પૉલિક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોનની કિંમત મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન કરતાં ઓછી છે, પરંતુ તે ઓછી કાર્યક્ષમ છે અને તેનું આયુષ્ય ઓછું છે. ઓછી કાર્યક્ષમતા એટલે વધુ પેનલ અને વધુ વિસ્તારની જરૂર છે.

 

સૌર કોષો મલ્ટી-જંકશન ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAs) ટેક્નોલોજી પર આધારિત પરંપરાગત સૌર કોષો કરતાં વધુ કાર્યક્ષમ છે. આ કોષો બહુ-સ્તરનું માળખું ધરાવે છે, અને દરેક સ્તર સૂર્યપ્રકાશની વિવિધ તરંગલંબાઇને શોષવા માટે ઇન્ડિયમ ગેલિયમ ફોસ્ફાઇડ (GaInP), ઇન્ડિયમ ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (InGaAs) અને જર્મેનિયમ (Ge) જેવી અલગ સામગ્રીનો ઉપયોગ કરે છે. જો કે આ મલ્ટિજંકશન કોષો ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા હાંસલ કરે તેવી અપેક્ષા છે, તેમ છતાં તેઓ હજુ પણ ઉચ્ચ ઉત્પાદન ખર્ચ અને અપરિપક્વ સંશોધન અને વિકાસથી પીડાય છે, જે તેમની વ્યાપારી શક્યતા અને વ્યવહારુ કાર્યક્રમોને મર્યાદિત કરે છે.

 

02 ફિલ્મ

વૈશ્વિક બજારમાં પાતળા-ફિલ્મ ફોટોવોલ્ટેઇક ઉત્પાદનોનો મુખ્ય પ્રવાહ કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ (CdTe) ફોટોવોલ્ટેઇક મોડ્યુલો છે. વિશ્વભરમાં આવા લાખો મોડ્યુલ ઇન્સ્ટોલ કરવામાં આવ્યા છે, જેની પીક પાવર ઉત્પાદન ક્ષમતા 30GW કરતાં વધુ છે. તેઓ મુખ્યત્વે યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં યુટિલિટી-સ્કેલ પાવર જનરેશન માટે વપરાય છે. કારખાનું

 

આ પાતળી-ફિલ્મ તકનીકમાં, 1-ચોરસ-મીટર સોલર મોડ્યુલમાં AAA-કદની નિકલ-કેડમિયમ (Ni-Cd) બેટરી કરતાં ઓછું કેડમિયમ હોય છે. વધુમાં, સૌર મોડ્યુલોમાં કેડમિયમ ટેલુરિયમ સાથે બંધાયેલું છે, જે પાણીમાં અદ્રાવ્ય છે અને 1,200°C જેટલા ઊંચા તાપમાને સ્થિર રહે છે. આ પરિબળો પાતળા-ફિલ્મ બેટરીમાં કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડનો ઉપયોગ કરવાના ઝેરી જોખમોને ઘટાડે છે.

 

પૃથ્વીના પોપડામાં ટેલુરિયમની સામગ્રી માત્ર 0.001 ભાગ પ્રતિ મિલિયન છે. જેમ પ્લેટિનમ એક દુર્લભ તત્વ છે, તેમ ટેલુરિયમની વિરલતા કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ મોડ્યુલની કિંમતને નોંધપાત્ર રીતે અસર કરી શકે છે. જો કે, રિસાયક્લિંગ પ્રેક્ટિસ દ્વારા આ સમસ્યાને દૂર કરવી શક્ય છે.

કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ મોડ્યુલોની કાર્યક્ષમતા 18.6% સુધી પહોંચી શકે છે, અને પ્રયોગશાળા વાતાવરણમાં બેટરીની કાર્યક્ષમતા 22% થી વધી શકે છે. [૫] કોપર ડોપિંગને બદલવા માટે આર્સેનિક ડોપિંગનો ઉપયોગ કરવો, જેનો લાંબા સમયથી ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, તે મોડ્યુલના જીવનને મોટા પ્રમાણમાં સુધારી શકે છે અને ક્રિસ્ટલ બેટરીની તુલનામાં એક સ્તર સુધી પહોંચી શકે છે.

 

03 ઉભરતી ટેકનોલોજી

 

અલ્ટ્રા-પાતળી ફિલ્મો (1 માઇક્રોનથી ઓછી) અને ડાયરેક્ટ ડિપોઝિશન તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને ઉભરતી ફોટોવોલ્ટેઇક તકનીકો ઉત્પાદન ખર્ચમાં ઘટાડો કરશે અને સૌર કોષો માટે ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા સેમિકન્ડક્ટર પ્રદાન કરશે. આ તકનીકો સિલિકોન, કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ અને ગેલિયમ આર્સેનાઇડ જેવી સ્થાપિત સામગ્રીના સ્પર્ધક બનવાની અપેક્ષા છે.

 

[6]આ ક્ષેત્રમાં ત્રણ જાણીતી પાતળી ફિલ્મ તકનીકો છે: કોપર ઝિંક ટીન સલ્ફાઇડ (Cu2ZnSnS4 અથવા CZTS), ઝીંક ફોસ્ફાઇડ (Zn3P2) અને સિંગલ-વોલ્ડ કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (SWCNT). લેબોરેટરી સેટિંગમાં, કોપર ઇન્ડિયમ ગેલિયમ સેલેનાઇડ (CIGS) સૌર કોષો 22.4% ની પ્રભાવશાળી ટોચ પર પહોંચી ગયા છે. જો કે, વ્યાપારી ધોરણે આવા કાર્યક્ષમતા સ્તરોની નકલ કરવી એ એક પડકાર છે.

[7]લીડ હેલાઇડ પેરોવસ્કાઇટ પાતળા ફિલ્મ કોષો આકર્ષક ઉભરતી સૌર ટેકનોલોજી છે. પેરોવસ્કાઇટ એ રાસાયણિક ફોર્મ્યુલા ABX3 ની લાક્ષણિક સ્ફટિક રચના સાથેનો એક પ્રકારનો પદાર્થ છે. તે પીળો, ભૂરો અથવા કાળો ખનિજ છે જેનો મુખ્ય ઘટક કેલ્શિયમ ટાઇટેનેટ (CaTiO3) છે. UK કંપની Oxford PV દ્વારા ઉત્પાદિત કોમર્શિયલ-સ્કેલ સિલિકોન-આધારિત પેરોવસ્કાઈટ ટેન્ડમ સોલાર કોષોએ 28.6% ની રેકોર્ડ કાર્યક્ષમતા હાંસલ કરી છે અને આ વર્ષે ઉત્પાદનમાં જશે.

[8]માત્ર થોડા વર્ષોમાં, પેરોવસ્કાઇટ સોલાર કોષોએ હાલના કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ પાતળા-ફિલ્મ કોષો જેવી જ કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરી છે. પેરોવસ્કાઈટ બેટરીના પ્રારંભિક સંશોધન અને વિકાસમાં, આયુષ્ય એક મોટો મુદ્દો હતો, એટલો ટૂંકો કે તેની ગણતરી માત્ર મહિનાઓમાં જ થઈ શકે.

આજે, પેરોવસ્કાઇટ કોષોની સેવા જીવન 25 વર્ષ કે તેથી વધુ છે. હાલમાં, પેરોવસ્કાઇટ સૌર કોષોના ફાયદા ઉચ્ચ રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતા (25% થી વધુ), નીચા ઉત્પાદન ખર્ચ અને ઉત્પાદન પ્રક્રિયા માટે જરૂરી નીચા તાપમાન છે.

 

સંકલિત સૌર પેનલ્સનું નિર્માણ

 

કેટલાક સૌર કોષો સૌર સ્પેક્ટ્રમના માત્ર એક ભાગને પકડવા માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા છે જ્યારે દૃશ્યમાન પ્રકાશને પસાર થવા દે છે. આ પારદર્શક કોષોને ડાઇ-સેન્સિટાઇઝ્ડ સોલાર સેલ (DSC) કહેવામાં આવે છે અને તેનો જન્મ 1991માં સ્વિટ્ઝર્લૅન્ડમાં થયો હતો. તાજેતરના વર્ષોમાં નવા R&D પરિણામોએ DSCની કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કર્યો છે, અને આ સૌર પેનલ બજારમાં આવવામાં વધુ સમય લાગશે નહીં.

 

કેટલીક કંપનીઓ કાચના પોલીકાર્બોનેટ સ્તરોમાં અકાર્બનિક નેનોપાર્ટિકલ્સનું મિશ્રણ કરે છે. આ ટેક્નોલૉજીમાંના નેનોપાર્ટિકલ્સ સ્પેક્ટ્રમના ચોક્કસ ભાગોને કાચની ધાર પર ખસેડે છે, જેનાથી મોટાભાગના સ્પેક્ટ્રમ પસાર થઈ શકે છે. કાચના કિનારે કેન્દ્રિત થયેલો પ્રકાશ પછી સૌર કોષો દ્વારા ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. વધુમાં, પારદર્શક સૌર વિન્ડો અને બાહ્ય દિવાલો બનાવવા માટે પેરોવસ્કાઈટ પાતળી ફિલ્મ સામગ્રી લાગુ કરવા માટેની તકનીકનો હાલમાં અભ્યાસ કરવામાં આવી રહ્યો છે.

 

સૌર ઉર્જા માટે જરૂરી કાચો માલ

સૌર ઊર્જા ઉત્પાદન વધારવા માટે, સિલિકોન, ચાંદી, તાંબુ અને એલ્યુમિનિયમ જેવા મહત્વપૂર્ણ કાચા માલના ખાણકામની માંગ વધશે. યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી જણાવે છે કે વિશ્વના ધાતુશાસ્ત્રીય ગ્રેડ સિલિકોન (MGS)માંથી લગભગ 12% સોલાર પેનલ્સ માટે પોલિસિલિકોનમાં પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે.

 

ચીન આ ક્ષેત્રમાં એક મુખ્ય ખેલાડી છે, જે 2020 માં વિશ્વના લગભગ 70% MGS અને 77% પોલિસિલિકોન સપ્લાયનું ઉત્પાદન કરે છે.

 

સિલિકોનને પોલિસિલિકોનમાં રૂપાંતરિત કરવાની પ્રક્રિયા માટે ખૂબ ઊંચા તાપમાનની જરૂર પડે છે. ચીનમાં, આ પ્રક્રિયાઓ માટે ઊર્જા મુખ્યત્વે કોલસામાંથી આવે છે. શિનજિયાંગ પાસે વિપુલ પ્રમાણમાં કોલસાના સંસાધનો અને ઓછી વીજળીનો ખર્ચ છે અને તેનું પોલિસિલિકોન ઉત્પાદન વૈશ્વિક ઉત્પાદનમાં 45% હિસ્સો ધરાવે છે.

 

[૧૨]સોલાર પેનલ્સનું ઉત્પાદન વિશ્વની આશરે 10% ચાંદી વાપરે છે. ચાંદીની ખાણકામ મુખ્યત્વે મેક્સિકો, ચીન, પેરુ, ચિલી, ઑસ્ટ્રેલિયા, રશિયા અને પોલેન્ડમાં થાય છે અને તે ભારે ધાતુના દૂષણ અને સ્થાનિક સમુદાયોના બળજબરીથી સ્થળાંતર જેવી સમસ્યાઓ તરફ દોરી શકે છે.

 

તાંબા અને એલ્યુમિનિયમની ખાણકામ પણ જમીનના ઉપયોગના પડકારો ઉભી કરે છે. યુએસ જીઓલોજિકલ સર્વે નોંધે છે કે વૈશ્વિક તાંબાના ઉત્પાદનમાં ચિલીનો હિસ્સો 27% છે, ત્યારબાદ પેરુ (10%), ચીન (8%) અને ડેમોક્રેટિક રિપબ્લિક ઓફ કોંગો (8%) છે. ઇન્ટરનેશનલ એનર્જી એજન્સી (IEA) માને છે કે જો વૈશ્વિક રિન્યુએબલ એનર્જીનો વપરાશ 2050 સુધીમાં 100% સુધી પહોંચી જશે, તો સૌર પ્રોજેક્ટ્સમાંથી કોપરની માંગ લગભગ ત્રણ ગણી થશે.

[13]નિષ્કર્ષ

 

શું સૌર ઉર્જા એક દિવસ આપણો મુખ્ય ઉર્જા સ્ત્રોત બનશે? સૌર ઊર્જાની કિંમત ઘટી રહી છે અને કાર્યક્ષમતામાં સુધારો થઈ રહ્યો છે. આ દરમિયાન, પસંદ કરવા માટે ઘણાં વિવિધ સોલર ટેક્નોલોજી માર્ગો છે. આપણે એક કે બે ટેક્નોલોજીને ક્યારે ઓળખીશું અને તેને વાસ્તવમાં કામમાં લાવીશું? સૌર ઊર્જાને ગ્રીડમાં કેવી રીતે સંકલિત કરવી?

 

વિશેષતાથી મુખ્ય પ્રવાહમાં સૌર ઉર્જાની ઉત્ક્રાંતિ આપણી ઉર્જાની જરૂરિયાતોને પહોંચી વળવા અને ઓળંગવાની તેની સંભવિતતાને દર્શાવે છે. જ્યારે હાલમાં સ્ફટિકીય સૌર કોષો બજાર પર પ્રભુત્વ ધરાવે છે, ત્યારે પાતળી-ફિલ્મ ટેકનોલોજીમાં પ્રગતિ અને કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ અને પેરોવસ્કાઇટ્સ જેવી ઉભરતી તકનીકો વધુ કાર્યક્ષમ અને સંકલિત સૌર એપ્લિકેશન માટે માર્ગ મોકળો કરી રહી છે. સૌર ઉર્જા હજુ પણ ઘણા પડકારોનો સામનો કરે છે, જેમ કે કાચા માલના ખાણકામની પર્યાવરણીય અસર અને ઉત્પાદનમાં અવરોધો, પરંતુ છેવટે, તે ઝડપથી વિકસતો, નવીન અને આશાસ્પદ ઉદ્યોગ છે.

 

તકનીકી પ્રગતિ અને ટકાઉ પ્રથાઓના યોગ્ય સંતુલન સાથે, સૌર ઉર્જાની વૃદ્ધિ અને વિકાસ સ્વચ્છ, વધુ વિપુલ ઉર્જા ભાવિ માટે માર્ગ મોકળો કરશે. આને કારણે, તે યુએસ ઊર્જા મિશ્રણમાં નોંધપાત્ર વૃદ્ધિ દર્શાવશે અને વૈશ્વિક ટકાઉ ઉકેલ બનવાની અપેક્ષા છે.