फोटोवोल्टिक प्रभाव

प्रकाश के संपर्क में आने पर पदार्थ में विद्युतदाब और विद्युत प्रवाह की उत्पत्ति को फोटोवोल्टिक प्रभाव कहते है। यह एक भौतिक और रासायनिक घटना है।

फोटोवोल्टिक प्रभाव,फोटोइलेक्ट्रिक(प्रकाश विद्युत प्रभाव) से निकटता से संबंधित है। दोनों घटनाओं के लिए,प्रकाश अवशोषित होता है,जिससे एक विद्युदअणु या अन्य आवेश वाहक उच्च-ऊर्जा अवस्था में उत्तेजित हो जाता है। प्रकाश विद्युत प्रभाव और फोटोवोल्टिक प्रभाव में मुख्य असमानता यह है कि प्रकाश विद्युत प्रभाव शब्द का उपयोग सामान्यतौर पर तब किया जाता है जब विद्युदअणु को पदार्थ से बाहर निकाल दिया जाता है और फोटोवोल्टिक प्रभाव का उपयोग तब किया जाता है जब उत्तेजित आवेश वाहक अभी भी पदार्थ के भीतर समाहित होता है। किसी भी स्तिथि  में,आवेशों के पृथक्करण से एक विद्युत क्षमता उत्पन्न होती है,और प्रकाश में उत्तेजना के लिए संभावित अवरोध को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होनी चाहिए। सामान्यतौर पर असमानता का भौतिक सार यह है कि प्रकाश विद्युत प्रभाव उत्सर्जन बैलिस्टिक चालन द्वारा आवेशों को अलग करता है और फोटोवोल्टिक उत्सर्जन उन्हें प्रसार द्वारा अलग करता है,लेकिन कुछ गर्म वाहक फोटोवोल्टिक उपकरणों की इस अवधारणा को अस्पष्ट कर देती है।

इतिहास
1839 में एडमंड बेकरेल द्वारा एक विद्युत रासायनिक कोशिका का इस्तेमाल करके फोटोवोल्टिक प्रभाव का पहला प्रदर्शन हुआ था। उन्होंनेकॉम्पटेस रेंडस डे ल'एकेडेमी डेस साइंसेज में अपनी खोज की व्याख्या की,जब प्लैटिनम या सोने की दो प्लेटें एक अम्ल,निष्पक्ष,या क्षारीय विलयन में डूबा हुआ सौर विकिरण के असमान तरीके से सामने आती हैं तब एक विद्युत प्रवाह का उत्पादन होता है।

पहली सौर कोशिका का प्रयोग 1884 में चार्ल्स फ्रिट्स द्वारा किया गया था जिसमें सोने की पतली परत से ढकी सेलेनियम की एक परत होती है,लेकिन इसकी दक्षता बहुत कम थी। हालांकि,फोटोवोल्टिक प्रभाव का सबसे परिचित रूप फोटोडायोड है जिसमे ठोस-अवस्था उपकरणों का उपयोग किया जाता है। जब सूरज की रोशनी या अन्य पर्याप्त ऊर्जावान प्रकाश फोटोडायोड पर आपतित होता है,तो संयोजकता और चालन बैंड में मौजूद विद्युदअणु ऊर्जा को अवशोषित करते हैं और उत्तेजित होकर चालन बैंड में कूद जाते हैं और मुक्त हो जाते हैं। ये उत्तेजित विद्युदअणु विसरित होते हैं,और कुछ सुधार संयोजन (सामान्यतौर पर एक डायोड पी-एन जंक्शन) तक पहुँचते हैं जहाँ वे अन्तर्निहित क्षमता /गैलवानी क्षमता द्वारा एन-टाइप अर्द्ध प्रवाहकीय पदार्थ में त्वरित होते हैं। यह एक वैद्युतवाहक बल और एक विद्युत प्रवाह उत्पन्न करता है और इस प्रकार कुछ प्रकाश ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। फोटोवोल्टिक प्रभाव तब भी हो सकता है जब दो फोटॉन एक साथ एक प्रक्रिया में अवशोषित होते हैं जिसे दो-फोटॉन फोटोवोल्टिक प्रभाव कहा जाता है।

भौतिकी
मुक्त विद्युदअणुों के प्रत्यक्ष फोटोवोल्टिक उत्तेजना के अलावा,सीबेक प्रभाव के माध्यम से एक विद्युत प्रवाह भी उत्पन्न हो सकता है। जब प्रवाहकीय या अर्द्ध प्रवाहकीय पदार्थ को विद्युत चुम्बकीय विकिरण के अवशोषण से गर्म किया जाता है,तो ताप से अर्द्ध प्रवाहकीय पदार्थ के तापमान में वृद्धि हो सकती है या सामग्रियों के बीच असमानता हो सकती है। परिणामस्वरूप में ये तापीय असमानता एक विद्युतदाब उत्पन्न कर सकते हैं क्योंकि विद्युदअणु ऊर्जा के स्तर विभिन्न क्षेत्रों में अलग-अलग स्थानांतरित होते हैं,उन क्षेत्रों के बीच एक संभावित असमानता पैदा करते हैं जो बदले में एक विद्युत प्रवाह बनाते हैं। फोटोवोल्टिक प्रभाव बनाम सीबेक प्रभाव के सापेक्ष योगदान घटक पदार्थ की कई विशेषताओं पर निर्भर करते हैं।

प्रत्यावर्ती विद्युत धारा फोटोवोल्टिक प्रभाव (ऐसी पीवी) का पहला प्रदर्शन 2017 में जॉर्जिया तकनीकी संस्थान में डॉ. हैयांग ज़ू और प्रो.झोंग लिन वांग द्वारा किया गया था और उपरोक्त सभी प्रभाव प्रत्यक्ष विद्युत धारा उत्पन्न करते हैं। ऐसी पीवी प्रभाव प्रत्यावर्ती विद्युत्धारा की उत्पत्ति है जब गैर-संतुलन अवस्थाओं में प्रकाश समय-समय पर जंक्शन या पदार्थ के मध्य बिंदु पर चमकता है। एसी पीवी प्रभाव धारितीय प्रतिरूप पर आधारित है जो विद्युत्धारा में चॉपर की आवृत्ति पर दृढ़ता से निर्भर करता है। एसी पीवी प्रभाव को गैर-संतुलन स्थितियों के तहत जंक्शन से सटे अर्द्ध प्रवाहकीय के अर्ध-फर्मी स्तरों के बीच सापेक्ष बदलाव और पुन:संरेखण का परिणाम होने के रूप में व्यक्त किया गया है। दो इलेक्ट्रोड के बीच संभावित असमानता को संतुलित करने के लिए विद्युदअणु बाहरी परिपथ में आगे और पीछे प्रवाहित होते हैं। जैविक सौर कोशिका,जिसमें पदार्थ की प्रारंभिक वाहक एकाग्रता नहीं होती है,एसी पीवी प्रभाव नहीं होता है।

तापमान का प्रभाव
एक फोटोवोल्टिक मापांक का प्रदर्शन,मुख्य रूप से मापांक सतह पर वैश्विक घटना प्रकाश-विकिरण G पर पर्यावरणीय परिस्थितियों पर निर्भर करता है। हालांकि,पी-एन जंक्शन का तापमान T भी मुख्य विद्युत मापदंडों को प्रभावित करता है जैसे लघु परिपथ विद्युत्धारा IAC,खुला परिपथ विद्युत दाब VOC,और अधिकतम विद्युत PMax। G और T की विभिन्न स्थितियों के तहत पीवी कोशिकाओं के व्यवहार के बारे में पहला अध्ययन कई दशक पहले हुआ था। 1-4 सामान्य तौर पर,यह ज्ञात है कि VOC T के साथ एक महत्वपूर्ण विपरीत सहसंबंध दिखाता है,जबकि IAC के लिए यह सहसंबंध प्रत्यक्ष है लेकिन कमजोर,जिसके फलस्वरूप यह वृद्धि VOC की कमी की भरपाई नहीं करती है। परिणामस्वरूप,T बढ़ने पर PMax कम हो जाता है। एक सौर कोशिका की उत्पादन शक्ति और उसके जंक्शन के व्यावहारिक तापमान के बीच यह सहसंबंध अर्द्ध प्रवाहकीय पदार्थ 2 पर निर्भर करता है और यह आंतरिक वाहकों की एकाग्रता,जीवनकाल और गतिशीलता अर्थात विद्युदअणुों और छिद्र पीवी सेल के अंदर T के प्रभाव के कारण होता है।

तापमान संवेदनशीलता को सामान्यतौर पर कुछ तापमान गुणांकों द्वारा वर्णित किया जाता है,प्रत्येक मापदंड के व्युत्पन्न को व्यक्त करता है जो इसे जंक्शन तापमान के संबंध में संदर्भित करता है। इन मापदंडों के मान किसी भी पीवी मापांक सूचना पत्रक में पाए जा सकते हैं; वे निम्नलिखित हैं:

- T के संबंध में VOC की भिन्नता का गुणांक,∂VOC/∂T द्वारा दिया गया।

- α T के संबंध में ISC की भिन्नता का गुणांक,∂ISC/∂T द्वारा दिया गया।

– δ T के संबंध में Pmax की भिन्नता का गुणांक,∂Pmax/∂T द्वारा दिया गया।

प्रयोगात्मक सूचना से इन गुणांकों का आकलन करने की तकनीकें साहित्य में पाई जा सकती हैं। कुछ अध्ययन कोशिका या मापांक तापमान के संबंध में श्रृंखला प्रतिरोध की भिन्नता का विश्लेषण करते हैं। वर्तमान-विद्युतदाब को उपयुक्त रूप से संसाधित करके इस निर्भरता का अध्ययन किया जाता है। श्रृंखला प्रतिरोध के तापमान गुणांक का अनुमान एकल डायोड प्रतिरूप या दोहरे डायोड प्रतिरूप का उपयोग करके लगाया जाता है।

 सौर सेल 

अधिकांश फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों में विकिरण सूर्य का प्रकाश है,और उपकरणों को सौर कोशिका कहा जाता है। अर्धप्रवाहकीय पी-एन (डायोड) जंक्शन सौर कोशिका के स्तिथि में,पदार्थ को प्रकाशित करने से विद्युत प्रवाह पैदा होता है क्योंकि उत्तेजित विद्युदअणुों और शेष छिद्रों को अलग-अलग दिशाओं में रिक्त क्षेत्र के अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र द्वारा निकाल दिया जाता है। एसी पीवी गैर-संतुलन स्थितियों में संचालित होता है। p-Si/TiO2 का पहला अध्ययन लघु चलचित्र पर आधारित था। यह पाया गया है कि पी-एन जंक्शन पर आधारित औपचारिक पीवी प्रभाव द्वारा उत्पन्न डीसी आउटपुट को छोड़कर,एसी करंट भी उत्पन्न होता है जब मुख्य बिंदु पर एक चमकती रोशनी प्रकाशित होती है। एसी पीवी प्रभाव ओम के नियम का पालन नहीं करता है,धारितीय प्रतिरूप पर आधारित होने के कारण विद्युत धारा दृढ़ता से चॉपर की आवृत्ति पर निर्भर करती है,लेकिन विद्युत् दाब आवृत्ति से स्वतंत्र है। उच्च परिवर्तन आवृत्ति पर AC का अधिकतम प्रवाह DC की तुलना में बहुत अधिक हो सकता है। उत्पादन का परिमाण पदार्थ के प्रकाश अवशोषण से भी जुड़ा हुआ है।

यह भी देखें

 * सौर कोशिकाओं का सिद्धांत
 * इलेक्ट्रोमोटिव बल # सौर सेल
 * प्रकाश विद्युत प्रभाव