سولر سیل کیسے کام کرتے ہیں۔

شمسی خلیات عام بیٹریوں کے افعال پیدا کرنے کے لیے سورج کی روشنی کو جذب کرتا ہے۔ لیکن روایتی بیٹریوں کے برعکس، روایتی بیٹریوں کی آؤٹ پٹ وولٹیج اور زیادہ سے زیادہ آؤٹ پٹ پاور فکس ہوتی ہے، جبکہ آؤٹ پٹ وولٹیج، کرنٹ، اور سولر سیلز کی طاقت کا تعلق روشنی کے حالات اور لوڈ آپریٹنگ پوائنٹس سے ہوتا ہے۔ اس کی وجہ سے، بجلی پیدا کرنے کے لیے شمسی خلیوں کا استعمال کرنے کے لیے، آپ کو کرنٹ وولٹیج کے تعلقات اور شمسی خلیوں کے کام کرنے کے اصول کو سمجھنا چاہیے۔

سورج کی روشنی کی شعاعی روشنی:

شمسی خلیوں کی توانائی کا ذریعہ سورج کی روشنی ہے، لہذا سورج کی روشنی کی شدت اور سپیکٹرم شمسی سیل کے ذریعہ کرنٹ اور وولٹیج آؤٹ پٹ کا تعین کرتا ہے۔ ہم جانتے ہیں کہ جب کسی چیز کو سورج کے نیچے رکھا جاتا ہے تو اسے دو طرح سے سورج کی روشنی حاصل ہوتی ہے، ایک براہ راست سورج کی روشنی، اور دوسری سطح پر دوسری چیزوں کے بکھرنے کے بعد پھیلی ہوئی سورج کی روشنی۔ عام حالات میں، شمسی سیل کے ذریعے موصول ہونے والی روشنی کا تقریباً 80 فیصد براہ راست واقعہ روشنی کا ہوتا ہے۔ لہذا، ہماری مندرجہ ذیل بحث سورج کی روشنی کے براہ راست نمائش پر بھی توجہ مرکوز کرے گی۔

سورج کی روشنی کی شدت اور سپیکٹرم کا اظہار سپیکٹرم شعاع ریزی سے کیا جا سکتا ہے، جو روشنی کی طاقت فی یونٹ طول موج فی یونٹ رقبہ (W/㎡um) ہے۔ سورج کی روشنی کی شدت (W/㎡) سپیکٹرم الیومینیشن کی تمام طول موجوں کا مجموعہ ہے۔ سورج کی روشنی کی سپیکٹرم الیومینیشن کا تعلق زمین کی سطح کے مقابلے سورج کے زاویہ کی پیمائش اور زاویہ سے ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ سورج کی روشنی زمین کی سطح تک پہنچنے سے پہلے ماحول سے جذب اور بکھر جائے گی۔ پوزیشن اور زاویہ کے دو عوامل کو عام طور پر نام نہاد ایئر ماس (AM) سے ظاہر کیا جاتا ہے۔ شمسی روشنی کے لیے، AMO بیرونی خلا کی صورت حال کو کہتے ہیں جب سورج براہ راست چمک رہا ہو۔ اس کی روشنی کی شدت تقریباً 1353 W/㎡ ہے، جو تقریباً 5800K کے درجہ حرارت کے ساتھ بلیک باڈی تابکاری سے پیدا ہونے والے روشنی کے منبع کے برابر ہے۔ AMI سے مراد زمین کی سطح کی صورت حال ہے، جب سورج براہ راست چمک رہا ہوتا ہے، روشنی کی شدت تقریباً 925 W/m2 ہوتی ہے۔ AMI.5 سے مراد زمین کی سطح کی صورت حال ہے، جب سورج 45 ڈگری کے زاویہ پر واقع ہوتا ہے، روشنی کی شدت تقریباً 844 W/m2 ہوتی ہے۔ AM 1.5 عام طور پر زمین کی سطح پر سورج کی روشنی کی اوسط روشنی کو ظاہر کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ سولر سیل سرکٹ ماڈل:

جب روشنی نہیں ہوتی ہے تو سولر سیل پی این جنکشن ڈائیوڈ کی طرح برتاؤ کرتا ہے۔ ایک مثالی ڈایڈڈ کے موجودہ وولٹیج کے تعلق کو بطور اظہار کیا جا سکتا ہے۔

جہاں میں کرنٹ کی نمائندگی کرتا ہوں، V وولٹیج کی نمائندگی کرتا ہے، یہ سنترپتی کرنٹ ہے، اور VT=KBT/q0، جہاں KB BoItzmann مستقل کی نمائندگی کرتا ہے، q0 یونٹ الیکٹرک چارج ہے، اور T درجہ حرارت ہے۔ کمرے کے درجہ حرارت پر، VT=0.026v۔ واضح رہے کہ Pn ڈایڈڈ کرنٹ کی سمت آلہ میں P-type سے n-type کی طرف بہنے کے لیے بیان کی گئی ہے، اور وولٹیج کی مثبت اور منفی قدروں کو P-type ٹرمینل پوٹینشل کے طور پر بیان کیا گیا ہے۔ مائنس این ٹائپ ٹرمینل پوٹینشل۔ لہذا، اگر اس تعریف کی پیروی کی جائے، جب سولر سیل کام کر رہا ہو، اس کی وولٹیج کی قدر مثبت ہے، اس کی موجودہ قدر منفی ہے، اور IV وکر چوتھے کواڈرینٹ میں ہے۔ قارئین کو یہاں یہ یاد دلانا ضروری ہے کہ نام نہاد آئیڈیل ڈائیوڈ بہت سی جسمانی حالتوں پر مبنی ہے، اور اصل ڈایڈس میں قدرتی طور پر کچھ غیر مثالی عوامل ہوں گے جو ڈیوائس کے کرنٹ وولٹیج کے رشتے کو متاثر کرتے ہیں، جیسے کہ جنریشن ریکمبینیشن کرنٹ، یہاں ہم جیتیں گے۔ اس پر زیادہ بحث نہ کریں۔ جب سولر سیل روشنی کے سامنے آتا ہے، تو pn ڈایڈڈ میں فوٹوکورنٹ ہوگا۔ چونکہ pn جنکشن کی بلٹ ان الیکٹرک فیلڈ سمت n-type سے p-type تک ہے، اس لیے فوٹون کے جذب سے پیدا ہونے والے الیکٹران ہول کے جوڑے n-ٹائپ اینڈ کی طرف چلیں گے، جبکہ سوراخ p کی طرف دوڑیں گے۔ - قسم کا اختتام۔ دونوں کے ذریعہ تشکیل کردہ فوٹوکورنٹ n-type سے p-type میں بہہ جائے گا۔ عام طور پر، ڈایڈڈ کی فارورڈ کرنٹ سمت کو p-type سے n-type کی طرف بہنے کے طور پر بیان کیا جاتا ہے۔ اس طرح، ایک مثالی ڈایڈڈ کے مقابلے میں، شمسی سیل کے ذریعے روشن ہونے پر پیدا ہونے والا فوٹوکورنٹ منفی کرنٹ ہے۔ سولر سیل کا کرنٹ وولٹیج کا رشتہ مثالی ڈایڈڈ کے علاوہ ایک منفی فوٹوکورنٹ IL ہے، جس کی شدت یہ ہے:

دوسرے الفاظ میں، جب روشنی نہیں ہوتی ہے، IL=0، سولر سیل صرف ایک عام ڈایڈڈ ہوتا ہے۔ جب سولر سیل شارٹ سرکٹ ہوتا ہے، یعنی V=0، شارٹ سرکٹ کرنٹ Isc=-IL ہوتا ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ جب سولر سیل شارٹ سرکٹ ہوتا ہے تو شارٹ سرکٹ کرنٹ واقعہ روشنی سے پیدا ہونے والا فوٹوکورنٹ ہوتا ہے۔ اگر سولر سیل اوپن سرکٹ ہے، یعنی اگر I=0 ہے، تو اس کا اوپن سرکٹ وولٹیج ہے:

شکل 2. سولر سیل کا مساوی سرکٹ: (a) بغیر، (b) سیریز اور شنٹ ریزسٹرس کے ساتھ۔ یہاں اس بات پر زور دینا ضروری ہے کہ اوپن سرکٹ وولٹیج اور شارٹ سرکٹ کرنٹ سولر سیل کی خصوصیات کے دو اہم پیرامیٹرز ہیں۔

سولر سیل کی پاور آؤٹ پٹ کرنٹ اور وولٹیج کی پیداوار ہے:

ظاہر ہے، شمسی سیل کے ذریعہ بجلی کی پیداوار ایک مقررہ قدر نہیں ہے۔ یہ ایک مخصوص کرنٹ وولٹیج آپریٹنگ پوائنٹ پر زیادہ سے زیادہ قدر تک پہنچ جاتا ہے، اور زیادہ سے زیادہ آؤٹ پٹ پاور Pmax کا تعین dp/dv=0 سے کیا جا سکتا ہے۔ ہم یہ اندازہ لگا سکتے ہیں کہ زیادہ سے زیادہ آؤٹ پٹ پاور Pmax پر آؤٹ پٹ وولٹیج ہے:

اور آؤٹ پٹ کرنٹ یہ ہے:

سولر سیل کی زیادہ سے زیادہ آؤٹ پٹ پاور ہے:

سولر سیل کی کارکردگی سے مراد شمسی سیل کا تناسب ہے جو واقعہ روشنی کے پاور پن کو زیادہ سے زیادہ آؤٹ پٹ برقی طاقت میں تبدیل کرتا ہے، یعنی:

شمسی سیل کی کارکردگی کی عمومی پیمائش سورج کی روشنی کی طرح روشنی کا ذریعہ استعمال کرتی ہے جس میں pin=1000W/㎡ ہے۔

تجرباتی طور پر، شمسی خلیات کا موجودہ وولٹیج کا تعلق اوپر دی گئی نظریاتی وضاحت پر پوری طرح عمل نہیں کرتا ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ فوٹو وولٹک ڈیوائس میں نام نہاد سیریز مزاحمت اور شنٹ مزاحمت ہوتی ہے۔ کسی بھی سیمی کنڈکٹر مواد کے لیے، یا سیمی کنڈکٹر اور دھات کے درمیان رابطے کے لیے، لامحالہ زیادہ یا کم مزاحمت ہوگی، جو فوٹو وولٹک ڈیوائس کی سیریز کی مزاحمت بنائے گی۔ دوسری طرف، فوٹو وولٹک ڈیوائس کے مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے درمیان مثالی Pn ڈایڈڈ کے علاوہ کوئی بھی موجودہ راستہ نام نہاد رساو کرنٹ کا سبب بنے گا، جیسے کہ ڈیوائس میں جنریشن-ریکمبینیشن کرنٹ۔ ، سطح کا دوبارہ ملاپ کرنٹ، ڈیوائس کی نامکمل کنارے کی تنہائی، اور دھاتی رابطہ دخول جنکشن۔

عام طور پر، ہم شمسی خلیوں کے رساو کرنٹ کی وضاحت کرنے کے لیے شنٹ ریزسٹنس کا استعمال کرتے ہیں، یعنی Rsh=V/Ileak۔ شنٹ مزاحمت جتنی بڑی ہوگی، رساو کرنٹ اتنا ہی چھوٹا ہوگا۔ اگر ہم مشترکہ مزاحمت Rs اور shunt resistance Rsh پر غور کریں تو سولر سیل کے کرنٹ وولٹیج کا رشتہ اس طرح لکھا جا سکتا ہے:

سیریز ریزسٹنس اور شنٹ ریزسٹنس دونوں اثرات کا خلاصہ کرنے کے لیے ہم صرف ایک پیرامیٹر، نام نہاد فل فیکٹر استعمال کر سکتے ہیں۔ کے طور پر تعریف:

یہ واضح ہے کہ فل فیکٹر زیادہ سے زیادہ ہے اگر کوئی سیریز ریزسٹر نہ ہو اور شنٹ ریزسٹنس لامحدود ہو (کوئی رساو کرنٹ نہ ہو)۔ سیریز کی مزاحمت میں کوئی اضافہ یا شنٹ مزاحمت میں کمی فل فیکٹر کو کم کر دے گی۔ اس طرح سے،. شمسی خلیوں کی کارکردگی کو تین اہم پیرامیٹرز سے ظاہر کیا جا سکتا ہے: اوپن سرکٹ وولٹیج Voc، شارٹ سرکٹ کرنٹ Isc، اور فل فیکٹر FF۔

ظاہر ہے کہ سولر سیل کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے اس کے اوپن سرکٹ وولٹیج، شارٹ سرکٹ کرنٹ (یعنی فوٹو کرنٹ) اور فل فیکٹر (یعنی سیریز ریزسٹنس اور لیکیج کرنٹ کو کم کرنا) ضروری ہے۔

اوپن سرکٹ وولٹیج اور شارٹ سرکٹ کرنٹ: پچھلے فارمولے کو دیکھتے ہوئے، سولر سیل کے اوپن سرکٹ وولٹیج کا تعین فوٹو کرنٹ اور سیچوریٹڈ سیل سے ہوتا ہے۔ سیمی کنڈکٹر فزکس کے نقطہ نظر سے، اوپن سرکٹ وولٹیج خلائی چارج والے علاقے میں الیکٹرانوں اور سوراخوں کے درمیان فرمی توانائی کے فرق کے برابر ہے۔ جہاں تک ایک مثالی Pn ڈایڈڈ کی سنترپتی کرنٹ کا تعلق ہے، آپ استعمال کر سکتے ہیں:

اظہار کرنے. جہاں q0 یونٹ چارج کی نمائندگی کرتا ہے، ni سیمک کنڈکٹر کے اندرونی کیریئر ارتکاز کی نمائندگی کرتا ہے، ND اور NA ہر ایک ڈونر اور قبول کنندہ کے ارتکاز کی نمائندگی کرتا ہے، Dn اور Dp ہر ایک الیکٹران اور سوراخوں کے پھیلاؤ کے گتانک کی نمائندگی کرتا ہے، مندرجہ بالا اظہار n فرض کر رہا ہے۔ - وہ معاملہ جہاں قسم کا خطہ اور p-قسم کا خطہ دونوں وسیع ہیں۔ عام طور پر، p-type substrates استعمال کرنے والے سولر سیلز کے لیے، n-type کا رقبہ بہت کم ہوتا ہے، اور اوپر والے اظہار میں ترمیم کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔

ہم نے پہلے ذکر کیا ہے کہ جب ایک سولر سیل روشن ہوتا ہے تو ایک فوٹوکورنٹ پیدا ہوتا ہے، اور فوٹوکورنٹ سولر سیل کے کرنٹ وولٹیج کے تعلق میں کلوز سرکٹ کرنٹ ہوتا ہے۔ یہاں ہم مختصراً فوٹوکورنٹ کی اصلیت بیان کریں گے۔ فی یونٹ وقت (یونٹ m -3 s -1 ) میں کیریئرز کی جنریشن ریٹ کا تعین روشنی کے جذب گتانک سے ہوتا ہے، یعنی

ان میں سے، α روشنی جذب کرنے والے گتانک کی نمائندگی کرتا ہے، جو کہ واقعہ فوٹونز کی شدت ہے (یا فوٹوون فلوکس کثافت)، اور R سے مراد عکاسی گتانک ہے، لہذا یہ واقعہ فوٹونز کی شدت کی نمائندگی کرتا ہے جو منعکس نہیں ہوتے ہیں۔ تین اہم میکانزم جو فوٹوکورنٹ پیدا کرتے ہیں وہ ہیں: پی قسم کے علاقے میں اقلیتی کیریئر الیکٹران کا پھیلاؤ کرنٹ، این قسم کے علاقے میں اقلیتی کیریئر کے سوراخوں کا پھیلاؤ، اور خلائی چارج والے علاقے میں الیکٹرانوں اور سوراخوں کا بڑھ جانا۔ موجودہ لہذا، فوٹوکورنٹ تقریبا اس طرح ظاہر کیا جا سکتا ہے:

ان میں سے، Ln اور Lp ہر ایک p-قسم کے علاقے میں الیکٹرانوں کے پھیلاؤ کی لمبائی اور n-قسم کے علاقے میں سوراخ کی نمائندگی کرتے ہیں، اور یہ خلائی چارج والے علاقے کی چوڑائی ہے۔ ان نتائج کا خلاصہ کرتے ہوئے، ہمیں اوپن سرکٹ وولٹیج کے لیے ایک سادہ اظہار ملتا ہے:

جہاں Vrcc الیکٹران ہول کے جوڑوں کی فی یونٹ والیوم کی بحالی کی شرح کی نمائندگی کرتا ہے۔ بلاشبہ، یہ ایک فطری نتیجہ ہے، کیونکہ اوپن سرکٹ وولٹیج خلائی چارج والے علاقے میں الیکٹرانوں اور سوراخوں کے درمیان فرمی توانائی کے فرق کے برابر ہے، اور الیکٹرانوں اور سوراخوں کے درمیان فرمی توانائی کے فرق کا تعین کیریئر جنریشن کی شرح اور دوبارہ ملاپ کی شرح سے ہوتا ہے۔ .