شمسی توانائی کو برقی توانائی میں تبدیل کرنے کا عمل کیسے کام کرتا ہے۔

ہم میں سے بہت سے لوگوں نے کسی نہ کسی طریقے سے شمسی خلیوں کا سامنا کیا ہے۔ کسی نے گھریلو مقاصد کے لیے بجلی پیدا کرنے کے لیے سولر پینل استعمال کیے ہیں یا کر رہے ہیں، کوئی اپنے پسندیدہ گیجٹ کو کھیت میں چارج کرنے کے لیے چھوٹا سولر پینل استعمال کر رہا ہے، اور کسی نے مائیکرو کیلکولیٹر پر ایک چھوٹا سا سولر سیل ضرور دیکھا ہے۔ کچھ تو اس سے ملنے کے لیے بھی خوش قسمت تھے۔ شمسی توانائی پلانٹ. 

لیکن کیا آپ نے کبھی سوچا ہے کہ شمسی توانائی کو بجلی میں تبدیل کرنے کا عمل کیسے کام کرتا ہے؟ ان تمام شمسی خلیات کے آپریشن کو کون سا جسمانی رجحان ہے؟ آئیے فزکس کی طرف آتے ہیں اور جنریشن کے عمل کو تفصیل سے سمجھتے ہیں۔

شروع سے ہی یہ واضح ہے کہ یہاں توانائی کا منبع سورج کی روشنی ہے یا سائنسی طور پر، برقی توانائی شمسی تابکاری کے فوٹون کی بدولت پیدا ہوتا ہے۔ ان فوٹانوں کو سورج سے مسلسل حرکت کرنے والے ابتدائی ذرات کی ایک ندی کے طور پر پیش کیا جا سکتا ہے، جن میں سے ہر ایک میں توانائی ہوتی ہے، اور اسی لیے روشنی کا پورا دھارا کسی نہ کسی قسم کی توانائی لے کر جاتا ہے۔

سورج کی سطح کے ہر مربع میٹر سے 63 میگاواٹ توانائی مسلسل تابکاری کی صورت میں خارج ہوتی ہے! اس تابکاری کی زیادہ سے زیادہ شدت مرئی سپیکٹرم کی حد پر آتی ہے۔ طول موج 400 سے 800 nm تک. 

لہذا، سائنسدانوں نے محسوس کیا ہے کہ سورج سے زمین کے فاصلے پر سورج کی روشنی کے بہاؤ کی توانائی کی کثافت 149600000 کلومیٹر ہے، ماحول سے گزرنے کے بعد، اور ہمارے سیارے کی سطح تک پہنچنے کے بعد، اوسطا تقریباً 900 واٹ فی مربع میٹر

یہاں آپ اس توانائی کو قبول کر سکتے ہیں اور اس سے بجلی حاصل کرنے کی کوشش کر سکتے ہیں، یعنی سورج کی روشنی کے بہاؤ کی توانائی کو حرکت پذیر چارج شدہ ذرات کی توانائی میں تبدیل کرنا، دوسرے لفظوں میں، بجلی. 

روشنی کو بجلی میں تبدیل کرنے کے لیے، ہمیں فوٹو الیکٹرک کنورٹر کی ضرورت ہے... ایسے کنورٹر بہت عام ہیں، یہ آزاد تجارت میں پائے جاتے ہیں، یہ نام نہاد سولر سیلز ہیں - فوٹو وولٹک کنورٹرس پلیٹوں کی شکل میں جو سلیکون سے کاٹے جاتے ہیں۔

سب سے بہتر مونوکرسٹل لائن ہیں، ان کی کارکردگی تقریباً 18% ہے، یعنی اگر سورج سے نکلنے والے فوٹوون کے بہاؤ کی توانائی کی کثافت 900 W/m2 ہے، تو آپ ایک مربع میٹر سے 160 W بجلی حاصل کرنے پر اعتماد کر سکتے ہیں۔ اس طرح کے خلیات سے جمع بیٹری.

"فوٹو الیکٹرک اثر" نامی ایک رجحان یہاں کام کرتا ہے۔ فوٹو الیکٹرک اثر یا فوٹو الیکٹرک اثر - یہ روشنی یا دیگر برقی مقناطیسی شعاعوں کے زیر اثر کسی مادے سے الیکٹرانوں کے اخراج کا واقعہ ہے (کسی مادے کے ایٹموں سے الیکٹرانوں کے الگ ہونے کا رجحان)۔

پہلے ہی 1900 میںکوانٹم فزکس کے باپ میکس پلانک نے تجویز کیا کہ روشنی انفرادی ذرات، یا کوانٹا کے ذریعے خارج اور جذب ہوتی ہے، جسے بعد میں، 1926 میں، کیمیا دان گلبرٹ لیوس نے "فوٹونز" کہا۔

ہر فوٹون میں ایک توانائی ہوتی ہے جس کا تعین فارمولے E = hv سے کیا جا سکتا ہے — پلانک کے مستقل کو اخراج کی فریکوئنسی سے ضرب۔

میکس پلانک کے خیال کے مطابق، ہرٹز کے ذریعہ 1887 میں دریافت کیا گیا اور پھر اسٹولیٹوف کے ذریعہ 1888 سے 1890 تک اچھی طرح سے مطالعہ کرنے والا واقعہ قابل وضاحت بن جاتا ہے۔ الیگزینڈر اسٹولیٹوف نے تجرباتی طور پر فوٹو الیکٹرک اثر کا مطالعہ کیا اور فوٹو الیکٹرک اثر کے تین قوانین قائم کیے (اسٹولیٹوف کے قوانین):

• فوٹوکاتھوڈ پر پڑنے والی برقی مقناطیسی شعاعوں کی ایک مستقل سپیکٹرل ساخت میں، سنترپتی فوٹوکورنٹ کیتھوڈ شعاع ریزی کے متناسب ہے (بصورت دیگر: 1 s میں کیتھوڈ سے باہر نکلنے والے فوٹو الیکٹران کی تعداد تابکاری کی شدت کے براہ راست متناسب ہے)۔

• فوٹو الیکٹران کی زیادہ سے زیادہ ابتدائی رفتار واقعہ روشنی کی شدت پر منحصر نہیں ہے، بلکہ صرف اس کی فریکوئنسی سے طے ہوتی ہے۔

• ہر مادے کے لیے فوٹو الیکٹرک اثر کی ایک سرخ حد ہوتی ہے، یعنی روشنی کی کم از کم فریکوئنسی (مادہ کی کیمیائی نوعیت اور سطح کی حالت پر منحصر ہے) جس کے نیچے فوٹو ایفیکٹ ناممکن ہے۔

بعد میں، 1905 میں، آئن سٹائن فوٹو الیکٹرک اثر کے نظریہ کو واضح کرے گا۔ وہ یہ دکھائے گا کہ روشنی کا کوانٹم نظریہ اور توانائی کے تحفظ اور تبدیلی کا قانون بالکل واضح کرتا ہے کہ کیا ہوتا ہے اور کیا مشاہدہ کیا جاتا ہے۔ آئن سٹائن فوٹو الیکٹرک اثر کے لیے مساوات لکھیں گے، جس کے لیے اس نے 1921 میں نوبل انعام جیتا تھا:

کام کے افعال اور یہاں وہ کم از کم کام ہے جو ایک الیکٹران کو کسی مادے کے ایٹم کو چھوڑنے کے لیے کرنا چاہیے۔دوسری اصطلاح خارج ہونے کے بعد الیکٹران کی حرکی توانائی ہے۔

یعنی فوٹون ایٹم کے الیکٹران سے جذب ہوتا ہے، اس لیے ایٹم میں الیکٹران کی حرکی توانائی جذب شدہ فوٹوون کی توانائی کی مقدار سے بڑھ جاتی ہے۔

اس توانائی کا کچھ حصہ ایٹم سے الیکٹران کو چھوڑنے پر خرچ ہوتا ہے، الیکٹران ایٹم کو چھوڑ دیتا ہے اور اسے آزادانہ حرکت کرنے کا موقع ملتا ہے۔ اور ڈائریکٹڈ حرکت پذیر الیکٹران برقی کرنٹ یا فوٹو کرنٹ سے زیادہ کچھ نہیں ہیں۔ نتیجے کے طور پر، ہم فوٹو الیکٹرک اثر کے نتیجے میں کسی مادہ میں EMF کی ظاہری شکل کے بارے میں بات کر سکتے ہیں۔

یعنی سولر بیٹری اس میں کام کرنے والے فوٹو الیکٹرک اثر کی بدولت کام کرتی ہے۔ لیکن فوٹوولٹک کنورٹر میں "ناک آؤٹ" الیکٹران کہاں جاتے ہیں؟ فوٹو وولٹک کنورٹر یا سولر سیل یا فوٹو سیل ہے۔ سیمی کنڈکٹرلہذا، تصویر کا اثر اس میں ایک غیر معمولی انداز میں ہوتا ہے، یہ ایک اندرونی تصویر اثر ہے، اور یہاں تک کہ ایک خاص نام "والو فوٹو اثر" ہے.

سورج کی روشنی کے زیر اثر سیمی کنڈکٹر کے پی این جنکشن میں فوٹو الیکٹرک اثر ہوتا ہے اور ایک EMF ظاہر ہوتا ہے، لیکن الیکٹران فوٹو سیل کو نہیں چھوڑتے، سب کچھ بلاک کرنے والی تہہ میں ہوتا ہے جب الیکٹران جسم کے ایک حصے کو چھوڑ کر دوسرے حصے میں جاتے ہیں۔ اس کا حصہ

زمین کی پرت میں سیلیکون اس کے 30 فیصد بڑے پیمانے پر ہے، اسی لیے یہ ہر جگہ استعمال ہوتا ہے۔ عام طور پر سیمی کنڈکٹرز کی خاصیت اس حقیقت میں مضمر ہے کہ وہ نہ تو موصل ہیں اور نہ ہی ڈائی الیکٹرک، ان کی چالکتا نجاست کے ارتکاز، درجہ حرارت اور تابکاری کے اثر پر منحصر ہے۔

سیمی کنڈکٹر میں بینڈ گیپ چند الیکٹران وولٹ ہے، اور یہ صرف ایٹموں کے اوپری والینس بینڈ کی سطح کے درمیان توانائی کا فرق ہے، جہاں سے الیکٹران نکالے جاتے ہیں، اور کم ترسیل کی سطح۔ سلیکون میں 1.12 eV کا بینڈ گیپ ہے — بس وہی جو شمسی تابکاری کو جذب کرنے کی ضرورت ہے۔

تو پی این جنکشن۔ فوٹو سیل میں ڈوپڈ سلیکون پرتیں پی این جنکشن بناتی ہیں۔ یہاں الیکٹرانوں کے لیے توانائی کی رکاوٹ ہے، وہ والینس بینڈ کو چھوڑ کر صرف ایک سمت میں حرکت کرتے ہیں، سوراخ مخالف سمت میں حرکت کرتے ہیں۔ اس طرح سولر سیل میں کرنٹ حاصل کیا جاتا ہے، یعنی سورج کی روشنی سے بجلی کی پیداوار۔

pn جنکشن، فوٹون کے عمل کے سامنے آتا ہے، چارج کیریئرز — الیکٹران اور سوراخ — کو صرف ایک سمت کے علاوہ کسی اور طریقے سے حرکت کرنے کی اجازت نہیں دیتا، وہ الگ ہو جاتے ہیں اور رکاوٹ کے مخالف سمتوں پر ختم ہو جاتے ہیں۔ اور جب اوپری اور نچلے الیکٹروڈ کے ذریعے لوڈ سرکٹ سے منسلک ہوتا ہے، تو فوٹو وولٹک کنورٹر، سورج کی روشنی کے سامنے آنے پر، بیرونی سرکٹ میں تخلیق کرے گا۔ براہ راست برقی رو.