فوٹو وولٹک کی تاریخ، پہلے سولر پینل کیسے بنائے گئے۔
دریافتیں، تجربات اور نظریات
فوٹو وولٹک کی تاریخ فوٹو الیکٹرک اثر کی دریافت سے شروع ہوتی ہے۔ یہ نتیجہ کہ ایک محلول (مائع) میں ڈوبی ہوئی دھاتی الیکٹروڈ کے درمیان کرنٹ روشنی کی شدت کے ساتھ مختلف ہوتا ہے، پیر، 29 جولائی 1839 کو فرانسیسی اکیڈمی آف سائنسز کو اس کے اجلاس میں الیگزینڈر ایڈمنڈ بیکریل نے پیش کیا تھا۔ اس کے بعد اس نے مضمون شائع کیا۔
اس کے والد، Antoine César Becquerel، کو کبھی کبھی دریافت کرنے والا کہا جاتا ہے۔ یہ اس حقیقت کی وجہ سے ہوسکتا ہے کہ ایڈمنڈ بیکریل اشاعت کے وقت صرف 20 سال کا تھا اور اب بھی اپنے والد کی لیبارٹری میں کام کر رہا تھا۔
عظیم سکاٹش سائنسدان جیمز کلرک میکسویل ان بہت سے یورپی سائنس دانوں میں شامل تھے جو سیلینیم کے رویے سے دلچسپی رکھتے تھے، جسے 1873 میں جرنل آف دی سوسائٹی آف ٹیلی گراف انجینئرز میں شائع ہونے والے ولوبی اسمتھ کے ایک مضمون میں پہلی بار سائنسی برادری کی توجہ دلائی گئی۔
گٹا پرچا کمپنی کے چیف الیکٹریکل انجینئر سمتھ نے 1860 کی دہائی کے آخر میں سیلینیم کی سلاخوں کو ڈائیونگ سے پہلے ٹرانس اٹلانٹک کیبلز میں خرابیوں کا پتہ لگانے کے لیے ایک ڈیوائس میں استعمال کیا۔ جب کہ سیلینیم کی سلاخیں رات کو اچھی طرح کام کرتی تھیں، جب سورج نکلتا تھا تو وہ بہت زیادہ کام کرتی تھیں۔
یہ شک کرتے ہوئے کہ سیلینیم کی خاص خصوصیات کا اس پر پڑنے والی روشنی کی مقدار سے کوئی تعلق ہے، اسمتھ نے سلاخوں کو ایک ڈبے میں ایک سلائیڈنگ ڈھکن کے ساتھ رکھا۔ جب دراز بند کر دیا گیا اور لائٹس بند کر دی گئیں تو سلاخوں کی مزاحمت — جس حد تک وہ ان کے ذریعے برقی رو کے گزرنے میں رکاوٹ بنتی ہیں — زیادہ سے زیادہ تھی اور مستقل رہتی تھی۔ لیکن جب ڈبے کا ڈھکن ہٹا دیا گیا تو ان کی چالکتا فوراً "روشنی کی شدت کے مطابق بڑھ گئی۔"
اسمتھ کی رپورٹ کے بعد جن محققین نے سیلینیم پر روشنی کے اثرات کا مطالعہ کیا ان میں دو برطانوی سائنسدان پروفیسر ولیم گرلز ایڈمز اور ان کے طالب علم رچرڈ ایونز ڈے شامل تھے۔
1870 کی دہائی کے آخر میں، انہوں نے سیلینیم کو بہت سے تجربات کا نشانہ بنایا، اور ان میں سے ایک تجربات میں انہوں نے سیلینیم کی سلاخوں کے ساتھ ایک موم بتی روشن کی جسے سمتھ استعمال کر رہے تھے۔ ان کے میٹر پر تیر فوراً رد عمل ظاہر کرتا ہے۔ سیلینیم کو روشنی سے بچانے کی وجہ سے سوئی فوری طور پر صفر پر گر گئی۔
یہ تیز رفتار ردعمل موم بتی کے شعلے کی گرمی کے امکان کو روکتے ہیں جو کرنٹ پیدا کرتے ہیں، جب سے گرمی کی فراہمی یا ہٹا دی جاتی ہے۔ تھرمو الیکٹرک تجربات میں، سوئی ہمیشہ اٹھتی ہے یا آہستہ آہستہ گرتی ہے۔ "لہذا"، محققین نے نتیجہ اخذ کیا، "یہ واضح تھا کہ کرنٹ صرف روشنی کے عمل کے تحت سیلینیم میں جاری کیا جا سکتا ہے۔" ایڈمز اینڈ ڈے نے روشنی سے پیدا ہونے والے کرنٹ کو "فوٹو وولٹک" کہا۔
بیککریل کے مشاہدہ کردہ فوٹو الیکٹرک اثر کے برعکس، جب روشنی کے عمل کے تحت الیکٹرک سیل میں کرنٹ تبدیل ہوتا ہے، اس صورت میں برقی وولٹیج (اور کرنٹ) صرف روشنی کے عمل کے تحت بیرونی برقی میدان کے عمل کے بغیر پیدا ہوتا ہے۔
ایڈمز اینڈ ڈے نے یہاں تک کہ ایک مرتکز فوٹوولٹک نظام کا ایک ماڈل بھی بنایا، جسے انہوں نے انگلینڈ کے بہت سے ممتاز لوگوں کے سامنے پیش کیا، لیکن اسے عملی طور پر استعمال میں نہیں لایا۔
ایک اور تخلیق کار فوٹوولٹک خلیات سیلینیم کی بنیاد پر 1883 میں امریکی موجد چارلس فرٹس تھے۔
اس نے دھات کی پلیٹ پر سیلینیم کی ایک چوڑی پتلی تہہ پھیلائی اور اسے سونے کے پتوں کی ایک پتلی پارباسی فلم سے ڈھانپ دیا۔ فرٹز نے کہا کہ سیلینیم کے اس ماڈیول نے ایک موجودہ "مسلسل، مستحکم، اور کافی مضبوطی پیدا کی... سورج کی روشنی، بلکہ کمزور، پھیلا ہوا دن کی روشنی اور یہاں تک کہ چراغ کی روشنی میں بھی۔
لیکن اس کے فوٹوولٹک خلیوں کی کارکردگی 1 فیصد سے بھی کم تھی۔ تاہم، اس کا خیال تھا کہ وہ ایڈیسن کے کوئلے سے چلنے والے پاور پلانٹس کا مقابلہ کر سکتے ہیں۔
1884 میں نیو یارک سٹی کی چھت پر چارلس فرٹس کے گلڈڈ سیلینیم سولر پینل۔
فرٹز نے اپنا ایک سولر پینل ورنر وون سیمنز کو بھیجا، جس کی شہرت ایڈیسن کے برابر تھی۔
سیمنز پینلز کی برقی طاقت سے اس قدر متاثر ہوا کہ روشن ہوا کہ ایک مشہور جرمن سائنسدان نے پرشیا کی رائل اکیڈمی میں فرٹس پینل پیش کیا۔ سیمنز نے سائنسی دنیا کو بتایا کہ امریکی ماڈیولز نے "ہمارے سامنے پہلی بار روشنی کی توانائی کی برقی توانائی میں براہ راست تبدیلی کو پیش کیا۔"
بہت کم سائنسدانوں نے سیمنز کی کال پر دھیان دیا ہے۔ ایسا لگتا تھا کہ یہ دریافت ہر اس چیز سے متصادم ہے جو سائنس اس وقت مانتی تھی۔
ایڈمز اینڈ ڈے اور فریتھ کے "جادو" پینلز کے ذریعے استعمال ہونے والی سیلینیم کی سلاخیں توانائی پیدا کرنے کے لیے طبیعیات کو معلوم طریقوں پر انحصار نہیں کرتی تھیں۔ اس لیے اکثریت نے انہیں مزید سائنسی تحقیق کے دائرہ کار سے خارج کر دیا۔
فوٹو الیکٹرک رجحان کے جسمانی اصول کو البرٹ آئن سٹائن نے اپنے 1905 کے مقالے میں برقی مقناطیسی میدان میں نظریاتی طور پر بیان کیا تھا، جسے انہوں نے برقی مقناطیسی میدان پر لاگو کیا تھا، جسے میکس کارل ارنسٹ لڈوِگ پلانک نے صدی کے آخر میں شائع کیا تھا۔
آئن سٹائن کی وضاحت سے پتہ چلتا ہے کہ خارج ہونے والے الیکٹران کی توانائی صرف تابکاری کی فریکوئنسی (فوٹن انرجی) اور تابکاری کی شدت سے الیکٹران کی تعداد (فوٹانز کی تعداد) پر منحصر ہے۔ نظریاتی طبیعیات کی ترقی میں ان کے کام کے لیے، خاص طور پر فوٹو الیکٹرک اثر کے قوانین کی دریافت، کہ آئن اسٹائن کو 1921 میں طبیعیات کا نوبل انعام دیا گیا۔
آئن سٹائن کی روشنی کی جرات مندانہ نئی وضاحت، الیکٹران کی دریافت اور اس کے رویے کا مطالعہ کرنے کے بعد کی مہم کے ساتھ مل کر- یہ سب کچھ 19ویں صدی کے اوائل میں ہوا- نے ایک سائنسی بنیاد کے ساتھ فوٹو الیکٹرسٹی فراہم کی جس کا پہلے فقدان تھا اور جو اب اس رجحان کی وضاحت کر سکتا ہے۔ سائنس کے لیے قابل فہم۔
سیلینیم جیسے مواد میں، زیادہ طاقتور فوٹون اتنی توانائی رکھتے ہیں کہ وہ اپنے جوہری مدار سے ڈھیلے بندھے ہوئے الیکٹرانوں کو دستک دے سکیں۔ جب تاروں کو سیلینیم کی سلاخوں سے جوڑ دیا جاتا ہے، تو آزاد الیکٹران ان کے ذریعے بجلی کے طور پر بہتے ہیں۔
انیسویں صدی کے تجربہ کار اس عمل کو فوٹو وولٹک کہتے تھے، لیکن 1920 کی دہائی تک سائنس دان اس رجحان کو فوٹو الیکٹرک اثر قرار دے رہے تھے۔
شمسی خلیوں پر اپنی 1919 کی کتاب میںتھامس بینسن نے "ناگزیر شمسی جنریٹر" کے پیش رو کے طور پر سیلینیم کے ساتھ علمبرداروں کے کام کی تعریف کی۔
تاہم، افق پر کوئی دریافت نہ ہونے کے ساتھ، ویسٹنگ ہاؤس کے فوٹو وولٹک ڈویژن کے سربراہ صرف یہ نتیجہ اخذ کر سکتے ہیں: "فوٹو وولٹک خلیات اس وقت تک عملی انجینئرز کے لیے دلچسپی کا باعث نہیں ہوں گے جب تک کہ وہ کم از کم پچاس گنا زیادہ موثر نہ ہوں۔"
فوٹوولٹکس اور اس کی ایپلی کیشنز کے مصنفین نے مایوسی کی پیش گوئی سے اتفاق کرتے ہوئے 1949 میں لکھا: "یہ مستقبل پر چھوڑ دیا جانا چاہیے کہ آیا مادی طور پر زیادہ کارآمد خلیات کی دریافت مفید مقاصد کے لیے شمسی توانائی کے استعمال کے امکانات کو کھول دے گی۔"
فوٹوولٹک اثرات کے طریقہ کار: فوٹو وولٹک اثر اور اس کی اقسام
عملی طور پر فوٹو وولٹکس
1940 میں، رسل شومیکر اولے نے غلطی سے تخلیق کیا۔ پی این جنکشن سلکان پر اور پتہ چلا کہ اس نے روشن ہونے پر بجلی پیدا کی۔ اس نے اپنی دریافت کو پیٹنٹ کیا۔ کارکردگی تقریبا 1٪ ہے۔
شمسی خلیوں کی جدید شکل 1954 میں بیل لیبارٹریز میں پیدا ہوئی۔ ڈوپڈ سلیکون کے تجربات میں، اس کی اعلیٰ حساسیت قائم کی گئی۔ نتیجہ ایک فوٹوولٹک سیل تھا جس کی کارکردگی تقریباً چھ فیصد تھی۔
پراؤڈ بیل کے ایگزیکٹوز نے 25 اپریل 1954 کو بیل سولر پینل کی نقاب کشائی کی، جس میں سیلز کا ایک ایسا پینل موجود ہے جو فیرس وہیل کو طاقت دینے کے لیے مکمل طور پر ہلکی توانائی پر انحصار کرتا ہے۔ اگلے دن، بیل کے سائنسدانوں نے شمسی توانائی سے چلنے والا ایک ریڈیو ٹرانسمیٹر لانچ کیا جو واشنگٹن میں ایک میٹنگ کے لیے جمع ہونے والے امریکہ کے معروف سائنسدانوں کو آواز اور موسیقی نشر کرتا ہے۔
1950 کی دہائی کے اوائل میں پہلے سولر فوٹوولٹک سیل تیار کیے گئے تھے۔
سدرن بیل الیکٹریشن 1955 میں سولر پینل کو اسمبل کر رہا ہے۔
فوٹو وولٹک خلیات کو 1950 کی دہائی کے آخر سے خلائی مصنوعی سیاروں پر مختلف آلات کو طاقت دینے کے لیے بجلی کے ذریعہ کے طور پر استعمال کیا جاتا رہا ہے۔ فوٹو سیلز کے ساتھ پہلا سیٹلائٹ امریکی سیٹلائٹ Vanguard I (Avangard I) تھا، جسے 17 مارچ 1958 کو مدار میں چھوڑا گیا۔
امریکی سیٹلائٹ وینگارڈ I، 1958۔
وینگارڈ I سیٹلائٹ ابھی بھی مدار میں ہے۔ اس نے خلا میں 60 سال سے زیادہ گزارے (خلا میں انسان کی بنائی ہوئی قدیم ترین چیز سمجھی جاتی ہے)۔
وینگارڈ اول شمسی توانائی سے چلنے والا پہلا سیٹلائٹ تھا اور اس کے شمسی خلیوں نے سات سال تک سیٹلائٹ کو بجلی فراہم کی۔ اس نے 1964 میں زمین پر سگنل بھیجنا بند کر دیا، لیکن اس کے بعد سے محققین نے اسے اب بھی اس بات کی بصیرت حاصل کرنے کے لیے استعمال کیا ہے کہ سورج، چاند اور زمین کا ماحول کس طرح گردش کرنے والے سیٹلائٹس کو متاثر کرتا ہے۔
امریکی سیٹلائٹ ایکسپلورر 6 اٹھائے ہوئے سولر پینلز کے ساتھ، 1959۔
چند مستثنیات کے ساتھ، یہ ان آلات کے لیے بجلی کا بنیادی ذریعہ ہے جن کے طویل عرصے تک کام کرنے کی توقع ہے۔ بین الاقوامی خلائی اسٹیشن (ISS) پر فوٹو وولٹک پینلز کی کل صلاحیت 110 kWh ہے۔
خلا میں سولر پینلز
1950 کی دہائی میں پہلے فوٹو وولٹک سیلز کی قیمتیں ہزاروں ڈالر فی واٹ ریٹیڈ پاور تھیں، اور ان کو پیدا کرنے کے لیے توانائی کی کھپت ان سیلز کی اپنی زندگی میں پیدا ہونے والی بجلی کی مقدار سے زیادہ تھی۔
اس کی وجہ، کم کارکردگی کے علاوہ، یہ تھی کہ عملی طور پر وہی تکنیکی اور توانائی سے بھرپور طریقہ کار فوٹو وولٹک سیلز کی تیاری میں استعمال کیے جاتے تھے جیسا کہ مائیکرو چپس کی تیاری میں۔
زمینی حالات میں، فوٹو وولٹک پینل سب سے پہلے دور دراز کے مقامات پر چھوٹے آلات کو پاور کرنے کے لیے استعمال کیے گئے تھے یا، مثال کے طور پر، بوائےز پر، جہاں انہیں پاور گرڈ سے جوڑنا انتہائی مشکل یا ناممکن ہوتا تھا۔ بجلی کے دیگر ذرائع پر فوٹو وولٹک پینلز کا سب سے بڑا فائدہ یہ ہے کہ انہیں ایندھن اور دیکھ بھال کی ضرورت نہیں ہے۔
پہلے بڑے پیمانے پر تیار کردہ فوٹو وولٹک پینل 1979 میں مارکیٹ میں نمودار ہوئے۔
زمین پر توانائی کے ذرائع کے ساتھ ساتھ دیگر قابل تجدید ذرائع میں فوٹو وولٹک میں بڑھتی ہوئی دلچسپی کو 1970 کی دہائی کے تیل کے بحران نے ایندھن دیا تھا۔
اس کے بعد سے، گہری تحقیق اور ترقی کی گئی ہے، جس کے نتیجے میں اعلی کارکردگی، کم قیمتیں اور فوٹو وولٹک سیلز اور پینلز کی طویل زندگی ہوتی ہے۔ ایک ہی وقت میں، پیداوار کی توانائی کی شدت اس حد تک کم ہو گئی ہے کہ پینل اس سے کئی گنا زیادہ توانائی پیدا کرتا ہے جتنا اسے پیدا کرنے کے لیے استعمال کیا گیا تھا۔
قدیم ترین (ابھی تک استعمال میں) بڑے ساحلی ڈھانچے 1980 کی دہائی کے اوائل سے ہیں۔ اس وقت، کرسٹل سلیکون خلیات اب بھی مکمل طور پر غلبہ رکھتے تھے، جن کی سروس کی زندگی کم از کم 30 سال کے حقیقی حالات میں تصدیق کی گئی تھی.
تجربے کی بنیاد پر، مینوفیکچررز اس بات کی ضمانت دیتے ہیں کہ پینل کی کارکردگی 25 سال کے بعد زیادہ سے زیادہ 20% تک کم ہو جائے گی (تاہم، مذکورہ تنصیبات کے نتائج بہت بہتر ہیں)۔ دیگر قسم کے پینلز کے لیے، سروس لائف کا تخمینہ تیز رفتار جانچ کی بنیاد پر لگایا جاتا ہے۔
اصل مونو کرسٹل لائن سلکان سیلز کے علاوہ، کئی سالوں میں فوٹو وولٹک سیلز کی کئی نئی اقسام تیار کی گئی ہیں، کرسٹل اور پتلی فلم دونوں… تاہم، فوٹوولٹکس میں سلکان اب بھی غالب مواد ہے۔
فوٹو وولٹک ٹیکنالوجی نے 2008 کے بعد سے ایک بڑی تیزی کا تجربہ کیا ہے، جب کرسٹل لائن سلیکون کی قیمتیں تیزی سے گرنا شروع ہوئیں، جس کی بنیادی وجہ چین کو پیداوار کی منتقلی ہے، جو پہلے مارکیٹ میں ایک اقلیتی کھلاڑی تھا (فوٹو وولٹک کی پیداوار کی اکثریت جاپان میں مرکوز تھی، امریکہ، سپین اور جرمنی)۔
فوٹو وولٹک صرف مختلف سپورٹ سسٹمز کے متعارف ہونے کے ساتھ ہی پھیل گیا۔ سب سے پہلے جاپان میں سبسڈی پروگرام اور پھر جرمنی میں خریداری کی قیمت کا نظام۔ اس کے بعد، اسی طرح کے نظام کو کئی دوسرے ممالک میں متعارف کرایا گیا تھا.
فوٹو وولٹک توانائی آج کل قابل تجدید توانائی کا سب سے عام ذریعہ ہے اور یہ ایک بہت تیزی سے بڑھتی ہوئی صنعت بھی ہے۔ یہ وسیع پیمانے پر عمارتوں کی چھتوں کے ساتھ ساتھ ایسی زمین پر بھی نصب ہے جو زرعی کام کے لیے استعمال نہیں کی جا سکتی ہیں۔
تازہ ترین رجحانات کی شکل میں پانی کی تنصیبات بھی شامل ہیں تیرتے فوٹوولٹک نظام اور ایگرو فوٹوولٹک تنصیبات، فوٹو وولٹک تنصیبات کو زرعی پیداوار کے ساتھ جوڑ کر۔