सौर फोटोव्होल्टेइक तंत्रज्ञानाचा विकास

तांत्रिक प्रगती आणि औद्योगिक विस्तारामुळे, फोटोव्होल्टेइक (PV) वीज निर्मितीचा खर्च सातत्याने कमी होत आहे, ज्यामुळे भविष्यात शाश्वत विकासासाठी तो एक महत्त्वाचा ऊर्जा स्त्रोत म्हणून उदयास येत आहे.

फोटोव्होल्टेइक तंत्रज्ञानाचे प्रमुख घटक
सौर ऊर्जा निर्मिती तंत्रज्ञानाचा मुख्य घटक म्हणजे सौर पीव्ही सेल होय. सौर पीव्ही सेलच्या उत्क्रांतीचे तीन पिढ्यांमध्ये वर्गीकरण करता येते. पहिल्या पिढीत सिलिकॉन-आधारित सौर सेलचा समावेश होतो; दुसऱ्या पिढीत थिन-फिल्म सौर सेलचा समावेश होतो; आणि तिसऱ्या पिढीत उच्च-केंद्रित फोटोव्होल्टेइक (HCPV) सेल, सेंद्रिय सौर सेल, लवचिक सौर सेल आणि रंग-संवेदनशील सौर सेल यांसारख्या नवीन तंत्रज्ञानाचा समावेश होतो. सध्या, सिलिकॉन-आधारित सौर सेलचे बाजारात वर्चस्व आहे, तर थिन-फिल्म सेल हळूहळू आपला बाजारपेठेतील वाटा मिळवत आहेत. HCPV वगळता, तिसऱ्या पिढीतील बहुतेक सेल अजूनही संशोधन टप्प्यात आहेत.

सिलिकॉन-आधारित सौर पेशी

सिलिकॉन-आधारित सौर पेशींमध्ये, मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन तंत्रज्ञान सर्वात प्रगत आहे. या पेशींची कार्यक्षमता आणि किंमत प्रामुख्याने उत्पादन प्रक्रियेवर अवलंबून असते, ज्यामध्ये इंगॉट कास्टिंग, वेफर स्लाइसिंग, डिफ्यूजन, टेक्सचरिंग, स्क्रीन प्रिंटिंग आणि सिंटरिंग यांसारख्या टप्प्यांचा समावेश असतो. या पारंपरिक प्रक्रियेद्वारे उत्पादित केलेल्या सौर पेशी सामान्यतः १६-१८% प्रकाश-विद्युत रूपांतरण कार्यक्षमता प्राप्त करतात.

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सौर पेशींची रूपांतरण कार्यक्षमता सर्वाधिक असते, परंतु त्या सर्वात महागही असतात. पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सौर पेशी मोठ्या प्रमाणावर उत्पादनासाठी योग्य असलेल्या मोठ्या आकाराच्या चौरस सिलिकॉन इंगॉट्सचे थेट उत्पादन करून खर्चात चांगली कपात करतात. ही प्रक्रिया सोपी आहे, विजेची बचत करते, सिलिकॉन सामग्रीची बचत करते आणि यासाठी कमी दर्जाच्या सामग्रीची आवश्यकता असते.

सौर पेशींचा खर्च दोन मुख्य धोरणांद्वारे कमी केला जाऊ शकतो: सामग्रीचा वापर कमी करणे (उदा., सिलिकॉन वेफरची जाडी कमी करणे) आणि रूपांतरण कार्यक्षमता वाढवणे. कार्यक्षमता वाढवण्याच्या पद्धतींमध्ये प्रकाश शोषण वाढवणे (उदा., पृष्ठभागाचे टेक्स्चरिंग, अँटी-रिफ्लेक्टिव्ह कोटिंग, फ्रंट इलेक्ट्रोडची रुंदी कमी करणे), प्रकाश-निर्मित वाहकांचे पुनर्मिलन कमी करणे (उदा., एमिटर पॅसिव्हेशन), आणि रोध कमी करणे (उदा., लोकलाइज्ड डोपिंग, बॅक सरफेस फील्ड टेक्नॉलॉजी) यांचा समावेश होतो.

मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सौर पेशींसाठी आतापर्यंतची सर्वाधिक नोंदवलेली रूपांतरण कार्यक्षमता २४.७% आहे, जी न्यू साउथ वेल्स विद्यापीठाच्या पर्ल (PERL) संरचनेच्या सौर पेशीने मिळवली आहे. यातील प्रमुख तांत्रिक वैशिष्ट्यांमध्ये पृष्ठभागावरील पुनर्संयोजन कमी करण्यासाठी सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावर फॉस्फरस डोपिंगची कमी सांद्रता, चांगले ओमिक संपर्क तयार करण्यासाठी पुढील आणि मागील पृष्ठभागावरील इलेक्ट्रोड्सखाली उच्च-सांद्रतेचे विसरण, आणि प्रकाश शोषण क्षेत्र वाढवण्यासाठी पुढील पृष्ठभागावरील इलेक्ट्रोड्स अरुंद करण्याकरिता फोटोलिथोग्राफीचा वापर यांचा समावेश आहे. तथापि, या तंत्रज्ञानाचे अद्याप औद्योगिकीकरण झालेले नाही.

कार्यक्षमता सुधारण्याच्या इतर तंत्रांमध्ये बीपी सोलरच्या सरफेस ग्रूव्ह्ड टेक्स्चर्ड सेल्स आणि बॅक-कॉन्टॅक्ट (EWT) तंत्रज्ञानाचा समावेश आहे. पहिल्या तंत्रात लेझर ग्रूव्हिंगद्वारे १८.३% कार्यक्षमता साधली जाते, ज्यामुळे पुढील इलेक्ट्रोड्सची रुंदी कमी होते आणि प्रकाश शोषण वाढते. दुसऱ्या तंत्रात पुढील इलेक्ट्रोड्सना मागे आणून प्रकाश-शोषक क्षेत्र वाढवून २१.३% कार्यक्षमता साधली जाते.

पातळ-थर सौर पेशी

क्रिस्टलाइन सिलिकॉन सौर पेशी त्यांच्या उच्च कार्यक्षमतेमुळे प्रचलित असल्या तरी, सिलिकॉन सामग्रीच्या उच्च किमतीमुळे त्यांची किंमत लक्षणीयरीत्या कमी करणे आव्हानात्मक आहे. कमी सामग्री वापरणाऱ्या थिन-फिल्म सौर पेशी एक किफायतशीर पर्याय म्हणून उदयास आल्या आहेत. थिन-फिल्म पेशींच्या मुख्य प्रकारांमध्ये सिलिकॉन-आधारित थिन-फिल्म पेशी, कॅडमियम टेल्युराइड (CdTe) पेशी आणि कॉपर इंडियम गॅलियम सेलेनाइड (CIGS) पेशी यांचा समावेश होतो.

सिलिकॉन-आधारित थिन-फिल्म सेल्स फक्त २ मायक्रोमीटर जाड असतात आणि क्रिस्टलाइन सिलिकॉन सेल्ससाठी आवश्यक असलेल्या सिलिकॉन सामग्रीच्या सुमारे १.५% वापरतात. पीएन जंक्शन्सच्या संख्येनुसार, हे सेल्स सिंगल-जंक्शन, डबल-जंक्शन किंवा मल्टी-जंक्शन असू शकतात, आणि त्यांतील प्रत्येक सेल सूर्यप्रकाशाच्या वेगवेगळ्या तरंगलांबी शोषून घेण्यास सक्षम असतो. सिंगल-जंक्शन सेल्सची सर्वोच्च कार्यक्षमता सुमारे ७% असते, तर डबल-जंक्शन सेल्स १०% पर्यंत पोहोचू शकतात.

CdTe थिन-फिल्म सेल्स त्यांच्या चांगल्या प्रकाश शोषण गुणधर्मांमुळे उच्च कार्यक्षमता (१२% पर्यंत) देतात. तथापि, कॅडमियमचा कर्करोगजन्य स्वभाव आणि टेल्युरियमचे मर्यादित नैसर्गिक साठे दीर्घकालीन विकासापुढील आव्हाने निर्माण करतात.

CIGS थिन-फिल्म सेल्सना उच्च-कार्यक्षम थिन-फिल्म तंत्रज्ञानाचे भविष्य मानले जाते. उत्पादन प्रक्रियेत बदल करून, त्यांचे प्रकाश शोषण सुधारले जाऊ शकते, ज्यामुळे रूपांतरण कार्यक्षमता वाढते. सध्या, प्रयोगशाळेतील कार्यक्षमता २०.१% पर्यंत पोहोचते, तर व्यावसायिक उत्पादने १३-१४% साध्य करतात, ज्यामुळे ते थिन-फिल्म सेल्समध्ये सर्वात कार्यक्षम ठरतात.

तिसऱ्या पिढीतील पेशी

सैद्धांतिकदृष्ट्या, तिसऱ्या पिढीतील पेशी उच्च रूपांतरण कार्यक्षमता साध्य करू शकतात. एचसीपीव्ही (HCPV) वगळता, बहुतेक अजूनही संशोधन अवस्थेत आहेत. एचसीपीव्ही पेशींमध्ये सामान्यतः III-V सेमीकंडक्टर सामग्री वापरली जाते, ज्यात उच्च उष्णता प्रतिरोधकता असते आणि जास्त प्रकाशातही त्या उच्च रूपांतरण कार्यक्षमता टिकवून ठेवतात. मल्टी-जंक्शन संरचनांमुळे या पेशी सौर स्पेक्ट्रमशी जवळून जुळवून घेऊ शकतात, ज्यामुळे त्यांची सैद्धांतिक कार्यक्षमता ६८% पर्यंत पोहोचते. व्यावसायिक उत्पादनात ४०% पेक्षा जास्त कार्यक्षमता साध्य केली जाऊ शकते.

सौर पेशी (सोलर सेल्स) मॉड्यूल्समध्ये बंदिस्त केल्या जातात आणि त्यांचे उपयोग त्यांच्या वैशिष्ट्यांवर व बाजारपेठेतील मागणीवर अवलंबून असतात. सुरुवातीच्या उपयोगांमध्ये दळणवळण बेस स्टेशन्स आणि उपग्रहांचा समावेश होता, नंतर सौर छतांसारख्या निवासी क्षेत्रांपर्यंत त्यांचा विस्तार झाला. या परिस्थितीत, मर्यादित प्रतिष्ठापन क्षेत्र आणि उच्च ऊर्जा घनतेच्या गरजांमुळे क्रिस्टलाइन सिलिकॉन मॉड्यूल्सना पसंती मिळाली. मोठ्या प्रमाणावरील सौर ऊर्जा प्रकल्प आणि बिल्डिंग-इंटिग्रेटेड फोटोव्होल्टाइक्स (BIPV) यांच्या विकासामुळे, खर्चाच्या विचारांमुळे थिन-फिल्म सेलच्या उपयोगात वाढ झाली आहे. पर्यावरणीय आणि हवामानाची परिस्थिती देखील विविध तंत्रज्ञानाच्या स्वीकृतीवर प्रभाव टाकते.

सौर फोटोव्होल्टेइक तंत्रज्ञानाचे अनुप्रयोग

सौर किरणोत्सर्गाचे वापरण्यायोग्य विजेमध्ये रूपांतर करण्यासाठी एका संपूर्ण सौर पीव्ही प्रणालीची आवश्यकता असते. सौर पीव्ही सेल हे या प्रणालीचा पाया आहेत, ज्यामध्ये इन्व्हर्टर, बॅटरी, देखरेख प्रणाली आणि वितरण प्रणाली यांचाही समावेश असतो.

पीव्ही प्रणालीचे वर्गीकरण आणि रचना

सौर पीव्ही प्रणालींचे वर्गीकरण ऑफ-ग्रिड किंवा ग्रिड-टाईड असे केले जाते. ऑफ-ग्रिड प्रणाली स्टँडअलोन किंवा हायब्रीड असू शकतात.

स्वतंत्र प्रणाली सामान्यतः दुर्गम भागांमध्ये, दळणवळण बेस स्टेशन्समध्ये आणि सौर पथदिव्यांमध्ये वापरल्या जातात, ज्या पूर्णपणे सौर ऊर्जेवर अवलंबून असतात. यामध्ये सौर मॉड्यूल्स, इन्व्हर्टर्स, कंट्रोलर्स, बॅटरी, वितरण प्रणाली आणि वीज संरक्षण यांचा समावेश असतो. बॅटरी आणि कंट्रोलर्समुळे प्रणालीच्या खर्चावर आणि आयुर्मानावर लक्षणीय परिणाम होतो. संकरित प्रणालींमध्ये सौर ऊर्जेसोबत डिझेल जनरेटर किंवा पवनचक्की यांसारख्या इतर स्रोतांचा संयोग केला जातो.

सौर छतांसाठी आणि मोठ्या पीव्ही ऊर्जा प्रकल्पांसाठी सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या ग्रिड-टाईड सिस्टीम्सना ऊर्जा साठवणूक उपकरणांची आवश्यकता नसते, ज्यामुळे खर्च कमी होतो. या सिस्टीम्समध्ये सौर मॉड्यूल्स, इन्व्हर्टर्स, वितरण प्रणाली, वीज संरक्षण आणि देखरेख प्रणाली यांचा समावेश असतो. सध्या, एकूण सौर उपयोगांपैकी ८०% उपयोग ग्रिड-टाईड सिस्टीम्सचे आहेत.

इतर पीव्ही ऊर्जा निर्मिती तंत्रज्ञान

सौर पीव्ही सेल तंत्रज्ञानाव्यतिरिक्त, इन्व्हर्टर तंत्रज्ञान, ग्रिड एकीकरण, साठवणूक आणि बुद्धिमान देखरेख हे पीव्ही ऊर्जा निर्मिती प्रणालींसाठी महत्त्वपूर्ण आहेत:

सौर विकिरणाच्या तीव्रतेनुसार सौर सेलची आउटपुट पॉवर बदलते, ज्यामुळे त्यात खंड पडतो. मोठ्या प्रमाणावरील ग्रिड एकीकरणामुळे ग्रिडवर परिणाम होऊ शकतो, त्यामुळे ग्रिड नियंत्रण आणि आयलँडिंग संरक्षण अत्यावश्यक ठरते.
सौर मॉड्यूलमधून मिळणारा वीज प्रवाह हा दिष्ट प्रवाह (DC) असतो, त्यामुळे इन्व्हर्टरद्वारे त्याचे प्रत्यावर्ती प्रवाहात (AC) उच्च-गुणवत्तेचे रूपांतर करणे आवश्यक असते.
तापमान आणि सावली यांसारख्या घटकांमुळे मॉड्यूलच्या पॉवर आउटपुटवर परिणाम होऊ शकतो, त्यामुळे सिस्टम मॉनिटरिंग आणि अलार्म सिस्टमची आवश्यकता असते.
दुर्गम भागांतील सौर ऊर्जा प्रकल्पांसाठी दूरस्थ नियंत्रण तंत्रज्ञान अत्यावश्यक आहे.
गुणवत्ता आणि प्रमाणाच्या बाबतीत चीन सौर मॉड्यूल उत्पादनात आघाडीवर आहे. या उद्योग साखळीतील उच्च-नफ्याच्या क्षेत्रांमध्ये सिलिकॉन शुद्धीकरण, इन्व्हर्टर्स, मॉनिटरिंग सिस्टीम्स आणि पीव्ही उपकरणांची निर्मिती यांचा समावेश आहे. या प्रमुख क्षेत्रांमध्ये मोठे यश मिळवणे हे चीनच्या पीव्ही उद्योगापुढील एक आव्हान आहे.

सौर पीव्ही ऊर्जा निर्मितीची सद्यस्थिती आणि भविष्यातील शक्यता