சோலார் செல் - எப்படி வேலை செய்கிறது

சோலார் செல் எப்படி வேலை செய்கிறது?

இதற்குள் டீடெய்லாகப் போகாமல், பொதுவாக நாம் யோசித்துப் பார்த்தாலே சில விசயங்கள் தெரியும். முதலில் சோலார் செல், சூரிய ஒளியை 'உறிஞ்ச' வேண்டும். சூரிய ஒளி என்பது பல அலைநீளங்களைக் கொண்டது என்பதால், சூரிய ஒளியில் ஒரு பகுதியையாவது உறிஞ்ச வேண்டும். அப்படி உறிஞ்சப் பட்ட ஆற்றல், அந்தப் பொருளில் இருக்கும் அணுவிலிருந்து கட்டுற்ற (அல்லது கட்டப்பட்டு இருக்கும்) எலக்ட்ரானை (bound electron) எடுத்து சுதந்திரமான/ கட்டுறா எலக்ட்ரானாக (free electron) மாற்ற வேண்டும். எலக்ட்ரான்கள் energy band என்ற ஆற்றல் பட்டைகளில் இருக்கும் என்பதை முன்னால் ஒரு தனிப் பதிவில் பார்த்திருக்கிறோம். ஒளியை உறிஞ்சி, கீழிருக்கும் ஆற்றல் பட்டைகளில் இருக்கும் எலக்ட்ரான், மேலிருக்கும் ஆற்றல் பட்டைக்கு போக வேண்டும். அப்படி போனால், கீழே இருக்கும் ஆற்றல் பட்டையில் hole என்ற ஒரு ‘ஓட்டையும்' உருவாகும். இது பாசிடிவ் சார்ஜ் என்று சொல்லலாம்.

அப்படி போன உடனே, மறுபடியும் கீழே திரும்பி வர வாய்ப்பு உண்டு. அப்படி வந்தால், ஆற்றலை ஒளியாகத் திருப்பிக் கொடுத்துவிடலாம், அல்லது பக்கத்தில் இருக்கும் அணுக்களுக்கு பகிர்ந்து கொடுக்கலாம். அப்படி பகிர்ந்து கொடுத்தால் அவற்றின் ஆட்டம் அல்லது அதிர்வுகள் அதிகமாகும். இன்னொரு விதத்தில் சொன்னால், இந்த ஆற்றல் வெப்பமாக மாறிவிடும். அதனால், நமக்கு மின்சாரம் கிடைக்காது. எலக்ட்ரானும் ஓட்டையும் (hole) சேர்ந்துவிடுவதால் நமக்கு பயன் இல்லை.

இதனால் இன்னொரு விசயமும் விளங்குகிறது. முதலில் ஒளியை உறிஞ்சி எலக்ட்ரானை மேலே தள்ள வேண்டும். இப்படி மேலே போன எலக்ட்ரானை உடனே கீழே வராமல், ‘சைடில்' தள்ள வேண்டும். எலக்ட்ரானும் holeஉம் மீண்டும் சேராமல் பிரிக்க வேண்டும். அப்படி பிரித்தால்தான், வெளியே இருக்கும் கம்பி வழியே அந்த எலக்ட்ரானை ஓட விட்டு, நம் வேலையை முடித்துக் கொண்டு அடுத்த பகுதி வழியாக hole உடன் சேர அனுமதிக்க வேண்டும். வெறுமனே ஒளியை உறிஞ்சும் திறன் மட்டும் இருந்தால் பத்தாது. வேறு விதமாகச் சொன்னால் எலக்ட்ரானை உசுப்பி விடவும் தெரியவேண்டும். அதற்கு கிக் ஏறி மேலே போனதும் அதை நம் காரியத்துக்கு பயன்படுத்தி கொள்ளவும் தெரிய வேண்டும்.

ஒவ்வொரு அலை நீளம் கொண்ட ஒளிக்கும், ஒரு ஆற்றல் இருக்கிறது. அதிகஅலை நீளம் இருந்தால் ஆற்றல் குறைவு. எலக்ட்ரானை மேலே இருக்கும் ஆற்றல் பட்டைக்கு தள்ள குறைந்த பட்சம் ஒரு ஆற்றல் தேவை. இதை ஆங்கிலத்தில் band gap என்று சொல்வார்கள். தமிழில் ஆற்றல் பட்டை இடைவெளி என்று சொல்லலாம்.
அதனால், எந்த ஒரு குறிப்பிட்ட பொருளுக்கும் ஒரு குறிப்பிட்ட அலை நீளத்தை விட குறைவாக இருக்கும் அலைகளை மட்டுமே மின்சாரமாக மாற்ற வாய்ப்பு உண்டு.

இப்படி உறிஞ்சப்பட்ட அத்தனை ஆற்றலையும் மின்சாரமாக்க முடியாது. இதில் குறைந்த பட்சம் ஒரு அளவு, மீண்டும் ஒளியாக வெளியே நிச்சயமாக சென்று விடும். இதை radiative recombination loss (எலக்ட்ரான் hole உடன் மீண்டும் சேர்ந்து கதிர்வீச்சாக அல்லது ஒளியாக ஆற்றலை வெளியிடுகிறது. குவாண்டம் இயற்பியல் மூலம் இதை நிரூபிக்கலாம். என்னால் இப்போதைக்கு சமன்பாடுகளை எளிமைப் படுத்தி சொல்ல முடியவில்லை. அதனால் நம்பிக்கையில் எடுத்துக் கொள்ளுங்கள்.

சரி, முதலில் எல்லா அலைகளையும் ஒரு பொருளால் உறிஞ்ச முடியவில்லை, கொஞ்சம் தான் உறிஞ்சுகிறது.
அப்படி உறிஞ்சிய ஆற்றலை எலக்ட்ரானுக்கு கொடுத்தால், அதிலும் ஒரு பங்கு கண்டிப்பாக வெளியே போய்விடுகிறது. மிச்சம் இருக்கும் எலக்ட்ரானாவது முழுசா பயன்படுமா? இது அந்த பொருளால் எப்படிப் பட்ட மின்கடத்தி என்பதைப் பொறுத்தது. அது அவ்வளவாக மின்சாரத்தைக் கடத்தாவிட்டால், நாம் தயாரித்த மின்சாரத்தில் ஒரு பங்கை அதிலேயே இழந்து விடுவோம்.



இப்படி செய்ய செமிகண்டக்டர் என்ற குறைகடத்தி பயன்படுகிறது. சோலார் செல்லில் பெரும்பாலும் சிலிக்கன் பயன்படுத்தப் படுகிறது. அது ஓரளவு ஒளியை உறிஞ்சும். இப்போது காட்மியம் டெலுரைடு என்ற பொருள் ஒளியை அதிக அளவில் உறிஞ்சும் என்பதால் பயன்படுத்த படுகிறது. ஆனால், இந்த சோலார் செல் எதாவது விபத்தில் எரிந்தால் இதில் இருக்கும் காட்மியம் என்பது விஷமாக மாற வாய்ப்பு உண்டு. (இது பற்றி விவரம் சேகரிக்க வேண்டும்). இந்த காட்மியம் என்பது பல பாட்டரிகளிலும் இருக்கிறது. காட்மியம் டெலுரைடு சோலார் செல் விற்கும் கம்பெனிகளோ, ஒரு பேட்டரியில் இருக்கும் காட்மியத்தை விட ஒரு சோலார் பேனலில் (1 மீ x 1 மீ) இருக்கும் காட்மியத்தின் அளவு குறைவு, நீங்கள் குப்பையில் எரிக்காத பேட்டரியா? என்று கேட்கின்றன. எப்படி இருந்தாலும் இந்த முடிச்சு இருப்பதால் ஒரு முறைக்கு இரண்டு முறை எல்லாரும் யோசிக்கிறார்கள்.

இதை எல்லாம் விட சாயம் தடவிய சோலார் செல் (dye sensitized solar cell) என்ற வகை செல்லில் அதிக அளவு ஆராய்ச்சி நடக்கிறது. இது எப்படி வேலை செய்கிறது என்று கேட்டால், இதில் ஒரு குறைகடத்தி மேல் சாயம் தடவி விடுவார்கள். சாயம் சூரிய ஒளியை உறிஞ்சி, ஆற்றலை குறைகடத்திக்கு கொடுக்கும். குறைகடத்தியில் இருக்கும் எலக்ட்ரான் மேலே போய்விடும். ஒளியின் ஆற்றலை எலக்ட்ரானுக்கு கொடுக்க இது புரோக்கர் போல உதவுகிறது. இந்த வகை சோலார் செல் தயாரிப்பு விலை குறைவு. ஆனால் வருடக்கணக்கில் வேலை செய்யும் என்று சொல்ல முடியவில்லை. இதில் பலரும் ஆர்வத்துடன் ஆராய்ச்சி செய்கிறார்கள். இதில் ஏதாவது நல்ல கண்டுபிடிப்பு வந்தால், சோலார் செல்லில் வரும் மின்சாரத்தின் விலை கணிசமாகக் குறையும்.

சூரிய ஒளியில் பெரும்பாலான ஒளியைப் பயன்
படுத்த வேண்டும் என்றால், ஒவ்வொரு ரேஞ்சிலும் (அலை நீள ரேஞ்ச்) அதை நல்ல விதத்தில் மின்சாரமாக மாற்ற வேறு வேறு பொருள்கள் இருக்கின்றன. இவற்றை எல்லாம், ஒன்றன் மேல் ஒன்றாக வைத்தால், நல்ல படி மின்சாரம் தயாரிக்கலாம். எடுத்துக் காட்டாக, மேலிருக்கும் பொருள் ஒரு குறிப்பிட்ட அலைநீளத்தில் இருக்கும் ஒளியை மட்டும் உறிஞ்சிவிடும். அதை மின்சாரமாக்கிவிடும். மிச்சம் இருக்கும் ஒளி ஊடுருவி செல்லும். கீழே இருக்கும் பொருள் இந்த மிச்ச ஒளியில் ஒரு பகுதியை கறந்து மின்சாரமாக்கி விடும். அடுத்து இருக்கும் பொருள் மிச்சத்தை மின்சாரமாக்கும்.


இது கேட்பதற்கு சூப்பராக இருக்கிறது. நடைமுறையில் இப்படி பொருள்களை ஒன்றன் மேல் ஒன்று சரியான அளவு படிய வைத்து, இப்படி ஒவ்வொன்றிலும் வரும் மின்சாரத்தை சேதாரமில்லாமல் எடுப்பது அவ்வளவு சுலபமாக இல்லை. இதன் விலை மிக மிக அதிகம். ”பரவாயில்லை” என்று செய்தாலும் இவை நிறைய நாள் வருவதில்லை. இதிலும் ஆராய்ச்சி நடக்கிறது. விலை அதிகம் இருந்தாலும், திறன் நன்றாக இருந்து, ”பல வருடங்கள் உழைக்கும்” என்ற கியாரண்டியும் இருந்தால், இடப்பற்றாக்குறை இருக்கும் இடங்களில் (சாடிலைட் சோலார் செல் போன்ற இடங்களில்), இதற்கு நல்ல மார்க்கெட் இருக்கிறது.


அடுத்து, சோலார் செல்லை எப்படி வைக்க வேண்டும்? அப்படியே வீட்டு மொட்டை மாடியில் படுக்க வைக்கலாமா? எந்த கோணத்தில் வைப்பது? என்ற கேள்விகள் வரும். இது அடுத்த பதிவில்.