फोटोवोल्टिक प्रभाव

फोटोवोल्टिक प्रभाव प्रकाश के संपर्क में आने पर सामग्री में वोल्टेज और विद्युत प्रवाह  की उत्पत्ति है। यह एक  भौतिक संपत्ति  और  रासायनिक  घटना है। फोटोवोल्टिक प्रभाव प्रकाश विद्युत प्रभाव  से निकटता से संबंधित है। दोनों घटनाओं के लिए, प्रकाश अवशोषित होता है, जिससे एक  इलेक्ट्रॉन  या अन्य आवेश वाहक उच्च-ऊर्जा अवस्था में उत्तेजित हो जाता है। मुख्य अंतर यह है कि फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव शब्द का उपयोग आमतौर पर तब किया जाता है जब इलेक्ट्रॉन को सामग्री से बाहर निकाल दिया जाता है (आमतौर पर एक वैक्यूम में) और फोटोवोल्टिक प्रभाव का उपयोग तब किया जाता है जब उत्तेजित आवेश वाहक अभी भी सामग्री के भीतर समाहित होता है। किसी भी मामले में, आवेशों के पृथक्करण से एक विद्युत क्षमता (या वोल्टेज) उत्पन्न होती है, और प्रकाश में उत्तेजना के लिए संभावित अवरोध को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होनी चाहिए। अंतर का भौतिक सार आमतौर पर यह है कि फोटोइलेक्ट्रिक 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 अवधारणा इस अंतर को धुंधला कर देती है।

इतिहास
1839 में एडमंड बेकरेल  द्वारा फोटोवोल्टिक प्रभाव का पहला प्रदर्शन, एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल का इस्तेमाल किया। उन्होंने Comptes rendus de l'Académie des Sciences में अपनी खोज की व्याख्या की, एक विद्युत प्रवाह का उत्पादन जब एक एसिड, तटस्थ, या क्षारीय समाधान में डूबे प्लैटिनम या सोने की दो प्लेटें सौर विकिरण के असमान तरीके से सामने आती हैं। पहली सौर सेल, जिसमें सोने की पतली परत से ढकी सेलेनियम  की एक परत होती है, का प्रयोग 1884 में  चार्ल्स फ्रिट्स  द्वारा किया गया था, लेकिन इसकी दक्षता बहुत कम थी। हालांकि, फोटोवोल्टिक प्रभाव का सबसे परिचित रूप ठोस-अवस्था उपकरणों का उपयोग करता है, मुख्य रूप से  photodiode  में। जब सूरज की रोशनी या अन्य पर्याप्त ऊर्जावान प्रकाश फोटोडायोड पर आपतित होता है, तो  वैलेंस और कंडक्शन बैंड  में मौजूद इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को अवशोषित करते हैं और उत्तेजित होकर कंडक्शन बैंड में कूद जाते हैं और मुक्त हो जाते हैं। ये उत्तेजित इलेक्ट्रॉन विसरित होते हैं, और कुछ रेक्टिफाइंग जंक्शन (आमतौर पर एक डायोड पी-एन जंक्शन) तक पहुँचते हैं जहाँ वे अंतर्निहित क्षमता (गैलवानी क्षमता) द्वारा एन-टाइप सेमीकंडक्टर सामग्री 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 टू-फोटॉन फोटोवोल्टिक प्रभाव कहा जाता है।

भौतिकी
मुक्त इलेक्ट्रॉनों के प्रत्यक्ष फोटोवोल्टिक उत्तेजना के अलावा, सीबेक प्रभाव  के माध्यम से एक विद्युत प्रवाह भी उत्पन्न हो सकता है। जब प्रवाहकीय या अर्धचालक सामग्री को विद्युत चुम्बकीय विकिरण के अवशोषण से गर्म किया जाता है, तो ताप से अर्धचालक सामग्री में तापमान में वृद्धि हो सकती है या सामग्रियों के बीच अंतर हो सकता है। बदले में ये तापीय अंतर एक वोल्टेज उत्पन्न कर सकते हैं क्योंकि इलेक्ट्रॉन ऊर्जा के स्तर अलग-अलग क्षेत्रों में अलग-अलग स्थानांतरित होते हैं, उन क्षेत्रों के बीच एक संभावित अंतर पैदा करते हैं जो बदले में एक विद्युत प्रवाह बनाते हैं। फोटोवोल्टिक प्रभाव बनाम सीबेक प्रभाव के सापेक्ष योगदान घटक सामग्री की कई विशेषताओं पर निर्भर करते हैं। उपरोक्त सभी प्रभाव प्रत्यक्ष धारा उत्पन्न करते हैं, प्रत्यावर्ती धारा फोटोवोल्टिक प्रभाव (AC PV) का पहला प्रदर्शन 2017 में जॉर्जिया तकनीकी संस्थान  में डॉ. हैयांग ज़ू और प्रो. झोंग लिन वांग द्वारा किया गया था। AC PV प्रभाव किसकी पीढ़ी है गैर-संतुलन अवस्थाओं में प्रत्यावर्ती धारा (AC) जब प्रकाश समय-समय पर जंक्शन या सामग्री के इंटरफ़ेस पर चमकता है। एसी पीवी प्रभाव कैपेसिटिव मॉडल पर आधारित है जो वर्तमान में हेलिकॉप्टर की आवृत्ति पर दृढ़ता से निर्भर करता है। एसी पीवी प्रभाव को गैर-संतुलन स्थितियों के तहत जंक्शन/इंटरफ़ेस से सटे सेमीकंडक्टर्स के अर्ध-फर्मी स्तरों के बीच सापेक्ष बदलाव और पुन: संरेखण का परिणाम होने का सुझाव दिया गया है। दो इलेक्ट्रोड के बीच संभावित अंतर को संतुलित करने के लिए इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट में आगे और पीछे प्रवाहित होते हैं। कार्बनिक सौर सेल, जिसमें सामग्री की प्रारंभिक वाहक एकाग्रता नहीं होती है, एसी पीवी प्रभाव नहीं होता है।

तापमान का प्रभाव
एक फोटोवोल्टिक मॉड्यूल का प्रदर्शन पर्यावरणीय परिस्थितियों पर निर्भर करता है, मुख्य रूप से मॉड्यूल विमान पर वैश्विक घटना विकिरण जी पर। हालांकि, पी-एन जंक्शन का तापमान टी भी मुख्य विद्युत मापदंडों को प्रभावित करता है: शॉर्ट-सर्किट वर्तमान आईएससी, ओपन-सर्किट वोल्टेज वीओसी, और अधिकतम पावर पीएमएक्स। जी और टी की अलग-अलग 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 वीओसी टी के साथ एक महत्वपूर्ण उलटा सहसंबंध दिखाता है, जबकि आईएससी के लिए यह सहसंबंध प्रत्यक्ष है, लेकिन कमजोर, ताकि यह वृद्धि VOC की कमी की भरपाई न करे। परिणामस्वरूप, T बढ़ने पर Pmax कम हो जाता है। एक सौर सेल की उत्पादन शक्ति और उसके जंक्शन के कामकाजी तापमान के बीच यह सहसंबंध अर्धचालक सामग्री पर निर्भर करता है, 2 और यह आंतरिक वाहकों की एकाग्रता, जीवनकाल और गतिशीलता पर टी के प्रभाव के कारण होता है, अर्थात इलेक्ट्रॉनों और छेद, पीवी सेल के अंदर।

तापमान संवेदनशीलता को आमतौर पर कुछ तापमान गुणांकों द्वारा वर्णित किया जाता है, प्रत्येक पैरामीटर के व्युत्पन्न को व्यक्त करता है जो इसे जंक्शन तापमान के संबंध में संदर्भित करता है। इन मापदंडों के मान किसी भी पीवी मॉड्यूल डेटा शीट 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 डेटा से इन गुणांकों का आकलन करने की तकनीकें साहित्य में पाई जा सकती हैं। कुछ अध्ययन सेल या मॉड्यूल तापमान के संबंध में श्रृंखला प्रतिरोध की भिन्नता का विश्लेषण करते हैं। वर्तमान-वोल्टेज वक्र को उपयुक्त रूप से संसाधित करके इस निर्भरता का अध्ययन किया जाता है। श्रृंखला प्रतिरोध के तापमान गुणांक का अनुमान सिंगल डायोड मॉडल या डबल डायोड मॉडल का उपयोग करके लगाया जाता है।

सौर सेल
अधिकांश फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों में विकिरण  सूर्य का प्रकाश है, और उपकरणों को सौर सेल कहा जाता है। सेमीकंडक्टर पी-एन (डायोड) जंक्शन सौर सेल के मामले में, सामग्री को रोशन करने से विद्युत प्रवाह पैदा होता है क्योंकि उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों और शेष छिद्रों को अलग-अलग दिशाओं में कमी क्षेत्र के अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र द्वारा बह दिया जाता है। एसी पीवी गैर-संतुलन स्थितियों में संचालित होता है। पहला अध्ययन p-Si/TiO पर आधारित था2 nanofilm. यह पाया गया है कि पी-एन जंक्शन पर आधारित पारंपरिक पीवी प्रभाव द्वारा उत्पन्न डीसी आउटपुट को छोड़कर, एसी करंट भी उत्पन्न होता है जब इंटरफ़ेस पर एक चमकती रोशनी प्रकाशित होती है। एसी पीवी प्रभाव ओम के नियम का पालन नहीं करता है, कैपेसिटिव मॉडल पर आधारित होने के कारण वर्तमान दृढ़ता से हेलिकॉप्टर की आवृत्ति पर निर्भर करता है, लेकिन वोल्टेज आवृत्ति से स्वतंत्र है। उच्च स्विचिंग आवृत्ति पर AC का चरम प्रवाह DC की तुलना में बहुत अधिक हो सकता है। आउटपुट का परिमाण सामग्री के प्रकाश अवशोषण से भी जुड़ा हुआ है।

यह भी देखें

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