વીજળી - એક એવો શબ્દ જે આપણા જીવન સાથે વણાઈ ગયો છે. તેના વિના જીવનની કલ્પના કરવી કદાચ અઘરી બની જાય. રોજિંદા જીવન દરમિયાન ક્યારેક એકાદ કલાક માટે પણ વીજળી કપાઈ જાય તો આપણે રઘવાયા થઈ જઈ છીએ.
પ્રકાશ મેળવવા માટે વપરાતાં મોટાભાગનાં સાધનો જેવા કે ટ્યુબલાઇટ, બલ્બ વિગેરે તમામ વીજળી દ્વારા ચાલતાં સાધનો છે. ભૂલથી પણ વીજળીનો પુરવઠો ખોરવાઈ જાય તો આપણું જીવન એક જ પળમાં 'અંધકારમય' બની જાય છે. આવા સમયે એક નાનકડું સાધન આપણી વ્હારે આવે છે અને તે છે બેટરી.
જોકે હાલમાં જનરેટર જેવાં સાધનો બજારમાં ઉપલબ્ધ હોઇ માત્ર ગ્રામીણ વિસ્તારોમાં જ આવી બેટરીઓનો મહત્તમ ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ બેટરી મુખ્યત્વે સેલની મદદથી ચાલતી હોય છે.
એક બેટરીમાં જરૂરિયાત પ્રમાણે એક કે બે સેલનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જ્યારે ગાડી તેમજ અન્ય યંત્રોમાં પણ આ પ્રકારની બેટરીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. જોકે તે વજનમાં ભારે તેમજ કદમાં મોટી હોય છે.
આવી બેટરીના વિકલ્પ તરીકા પચાસના દાયકામા સોલર સેલ અસતિત્વમાં આવ્યાં, જે વિજ્ઞાનક્ષેત્રે ઘણાં ઉપયોગી સાબિત થયા. જોકે તેનું ઉત્પાદન ઘણું ખર્ચાળ હોઈ તેનો ઉપયોગ ઓછો થતો જોવા મળે છે.
વૈજ્ઞાનિક સંશોધનો તેમજ જાહેર હેતુ માટે આવા સોલર સેલ વધુ ઉપયોગમાં લેવાય છે. સામાન્ય જીવન દરમિયાન કાંડા, ઘડિયાળ, કેલ્ક્યુલેટર અને કોર્ડલેસ ફોન વિગેરે ઉપકરણોમાં સોલર સેલનો ઉપયોગ કરાય છે.
ઊર્જાના આ શ્રેષ્ઠતમ સાધનને કેવી રીતે તૈયાર કરવામાં આવે છે, તેમજ તેના ઉપયોગો શું છે તે વિશે માહિતી મેળવીએ.
સામાન્ય રીતે સૂકાં અને ખુલ્લા વિસ્તારોમાં જેવા કે રણમેદાનોમાં કે જ્યાં સૂર્ય વધુ તપતો હોય, એવાં સ્થળોએ સોલર એનર્જી પ્રાપ્ત કરવા માટેની ખાસ તક્તીઓ અથવા તો પ્લેટો ગોઠવાયેલી તમે જોઈ હશે.
આવી પ્લેટોને સોળ સોલર સેલની પેનલો લગાડેલી હોય છે. એક સોલર સેલની પેનલમાં આશરે ૫૨૮ સોલર સેલ જોડાયેલા હોય છે. એવી કેટલીય પ્લેટો સૂર્યપ્રકાશ સામે ખુલ્લામાં ગોઠવવામાં આવે છે. તમે તેમાં એક ખાસ વાત જરૂ૨ નોંધી શકશો કે, આ તમામ પ્લેટો સૂર્યમુખીના ફૂલની જેમ સૂર્ય તરફ જ તાકી રહેલી હોય છે.
એવું એટલાં માટે કે દિવસ દરમિયાન ઊર્જાના ઉત્પાદન માટે પૂરતો સૂર્યપ્રકાશ મળી રહે તે માટે આ પ્લેટો સૂર્ય જે દિશામાં ફરે તે દિશામાં ગતિ કરતી હોય છે. આ માટે સૌર પ્લેટોને ફોટો અને કમ્પ્યુટરની સ્વંયસંચાલિત વ્યવસ્થા વડે જોડવામાં આવે છે.
જોકે સંપૂર્ણ સૂર્ય પ્રકાશ મેળવવા બધા જ પ્રયત્નો પછી પણ કુલ સૂર્યપ્રકાશના ૧૦ ટકા જ સોલર ઊર્જા પ્રાપ્ત થાય છે. આ પ્રમાણે દિવસમાં મળતો વીજપુરવઠો કેવળ એક મેગાવોટ વિદ્યુત શક્તિ જેટલો હોય છે.
આ ૧ મેગાવોટ વીજળી દ્વારા હજાર જેટલાં ઘરોને વિદ્યુત પ્રવાહ પુરો પાડી શકાય છે. સખત મહેનત અને પ્રમાણમાં સારો એવો ખર્ચ કર્યા બાદ પણ થોડી જ માત્રામાં વીજળી મળે છે. જે થર્મલ વિદ્યુત કરતાં ખૂબ મોંઘી પડે છે.
અંતરીક્ષ વિજ્ઞાઑ ક્ષેત્રે ઔએનો ઉપયોગ પહેલાથી જ થતો આવ્યો છે. 1958 માં અમેરીકાએ વેનગાર્ડ-1 નામના ઉપગ્રહને જુવારના દાણા જેટલા 6 સોલર સેલ લગાડ્યા હતા. લગભખ સાડા 6 ફૂટના વ્યાસવાળા વેનગાર્ડ-1 ઉપગ્રહને બાટરીપે ચાર્જ કરવા માટે આ સોલર સેલ ઉપયોગમાં લેવાયા.
જોકે આજે વર્ષો બાદ સલાસર પ્રમાણમાં ઘણા રસ્તા બન્યા છે એટલું જ નહીં તેના ઉત્પાદન એ પણ અનેક રીતે પ્રોત્સાહન આપવામાં આવે છે એક સમય હતો જ્યારે અમેરિકા અને જાપાન સોનાર સોનાર ઉત્પાદનમાં મોખરે હતા હાલ આ દોડમાં ચીન પણ પ્રથમ હરોળમાં સામેલ છે આજે ઘર વપરાશની ચીજ વસ્તુઓમાં પણ સોલાર નિયમિત રીતે ઉપયોગમાં લેવામાં આવી રહ્યા છે
જોકે આજે વર્ષો બાદ સોલાર સેલ પ્રમાણમાં ઘણા રસ્તા બન્યા છે એટલું જ નહીં તેના ઉત્પાદન એ પણ અનેક રીતે પ્રોત્સાહન આપવામાં આવે છે એક સમય હતો જ્યારે અમેરિકા અને જાપાન સોલાર સેલના ઉત્પાદનમાં મોખરે હતા હાલ આ દોડમાં ચીન પણ પ્રથમ હરોળમાં સામેલ છે આજે ઘર વપરાશની ચીજ વસ્તુઓમાં પણ સોલાર સેલ નિયમિત રીતે ઉપયોગમાં લેવામાં આવી રહ્યા છે
સોલર સેલમાં વપરાતું સિલીકોન
૧૯૫૪માં સોલર સંશોધન પછી વિજ્ઞાનીઓ તેના વ્યવહારું ઉપયોગ માટે સોલાર સેલને લઈને બહું આશાવાદી ન હતા. સોલર સેલમાં વપરાતો મુખ્ય પદાર્થ સિલીકોન છે. આ પદાર્થ પૃથ્વી પર વ્યાપક પ્રમાણમાં મળી રહે છે. પૃથ્વીના પડમાં ૨૮ ટકા સિલીકોન રહેલું છે.
છતાં પૃથ્વી પર મોટા પ્રમાણમાં ઉપલબ્ધ સિલીકોન બીજાં તત્ત્વો સાથે ભળતું હોય છે. તેને શુદ્ધ કરવા માટે લાંબી પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે અને તે માટે ખૂબ ઊર્જા વપરાય છે. લગભગ ૧૦૦ ટકા શુદ્ધ સિલીકોન સોલર માટે ઉપયોગી છે.
આ પ્રકારનું સિલીકોન તૈયાર કરવા માટે અંદાજે દોઢ હજાર સેન્ટિગ્રેડ ઉષ્ણતામાનની જરૂર પડે છે. એ રીતે સંપૂર્ણ શુદ્ધ થયેલા સિલીકોનને ૧૨૧૦૦૦ ફીટ જાડી પાટો પાડવામાં આવે છે. છ ગ્રામ સિલીકોનનો ટુકડો કાપીને તેને પોલીશ કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ તેની ઉપર બેરોન અને ફોસ્ફરસ છાંટવામાં આવે છે.
એ જ સમયે સિલીકોનમાંનાં સૂર્યકિરણો ઇલેક્ટ્રોનમાં પરિવર્તન પામે છે. જો આ પ્રક્રિયામાં કોંઈ પણ પ્રકારનો અવરોધ આવે, અથવા તો તેમાં કોઈ ખામી રહી જવા પામે તો ૭૫ ટકા ઊર્જા પ્રાપ્તિમાં ઘટાડો થાય છે.
પૃથ્વી પર રેતીની જેમ સહેલાઈથી પ્રાપ્ત થતું સિલીકોન સંપૂર્ણ શુદ્ધિ પ્રાપ્ત કરતાં તેનું સોલર સેલમાં રૂપાંતર થતાં તે સોના જેવું મોઘું થઈ પડે છે. ૧૯૫૮માં એક વોલ્ટ જેટલી સોલર ઊર્જાના સોલર સૈલ તૈયાર કરતા ૨૦૦૦ ડોલરનો ખર્ચ થતો.
તેની સામે ઘરવપરાશમાં આપણે ૪૦, ૬૦ અને ૧૦૦ વોલ્ટથી વધુના વિદ્યુત બલ્બ વાપરીએ છીએ. આની સરખામણીએ સોલાર સેલ જીવન જરૂરિયાતની ઊર્જા પૂરી પાડવામાં અસહ્ય મોંઘા થઈ પડતા.
સોલાર સેલમા સિલીકોનનો ઉપયોગ કેવી રીતા કરવામાં આવા છે તે પાછળ પણ એક જટિલ વિજ્ઞાન રહેલુ છે. સિલીકોનની કેન્દ્રમા આવાલા ઈલેકટ્રોન મુક્ત નથી. કેન્દ્રની ફરતે આવેલા અંદરના પડમાં બે ઈલેક્ટ્રોનોય છે. બાકીપા પડમાં આઠ અને અંદરના પડમાં ચાર ઇલેક્ટ્રોન હોય છે.
આ તમામ ઇલેક્ટ્રોન અણુઓ ક્રમે ક્રમે ખસતા રહે તો જ પ્રવાહમાંથી વિદ્યુત પ્રવાહ પસાર થઈ શકે. આથી ઇલેક્ટ્રોન અણુની ગતિમાં વિદ્યુત પ્રવહાની શક્યતા છે. સિલીકોનના બહારના આવરણમાં ચાર ઇલેક્ટ્રોન હોય છે પણ તે ક્યાંય ખસી શકતા નથી. આથી સિલીકોન ઈન્સ્યલેટ૨ બની જાય છે .
વળી તે વિદ્યુતનો અવાહક હોઈ વિદ્યુત પ્રવાહને પસાર થવા દેતો નથી. આવા જટિલ સિલિકોનનો ઉપોયગ સોલાર સેલમાં કરવા માટે વૈજ્ઞાનિકોએ અથાગ મહેનત કરી.
૧૯૨૩માં સ્વીડનના વિજ્ઞાની જેમ્સ બુર્ઝેલ્યસે રેતીમાંથી સિલીકોનને છૂટું પાડ્યું. આ શુદ્ધ સિલીકોન વિદ્યુતનું અવાહક હોય છે. આથી તેને વિદ્યુતવાહક બનાવવાના પ્રયોગો શરૂ થયાં. જોકે આ પ્રયાસો નિષ્ફળ રહેતા તેમાં અન્ય પદાર્થો ઉમેરી વિધુત પ્રવાહનો સંચાર કરવામાં આવ્યો.
સિલીકોન પર ફોસ્ફરસ અને બેરોન પદાર્થોનો છંટકાવ થતા પરિણામ હકારાત્મક આવ્યું. આ બન્ને પદાર્થોના અણુઓ સિલીકોનમાં સમાઈ જાય છે અને તે પણ સિલીકોનના બંધારણને નુકસાન કર્યા વિના! જેથી સિલીકોનના ગુણધર્મો બદલાઈ જાય છે. કેવી રીતે તે સમજીએ.
સિલીકોનના બાહ્ય વાતાવરણમાઃ ચાર ઈલેક્ટ્રોન હોય છે. જ્યારા ફોસ્ફરસનિ બહારના પડમાં પાંચ ઈલેક્ટ્રોન હોય. એટલે કે એક પછક એક અણુઓ ગોઠવાઈ જતા ફોસ્ફરસનો ઈલેક્ટ્રોન વધારાનો પડી રહે છે. એવા ઢગલાબંધ ફોસ્ફરસ અણુઓ સિલીકોનમાં હોય છે.
આ વધારાના ઈલેક્ટ્રોન પોતાની જગ્યા કરવા ગતિ કરે છે. આ માટે બોરોન તેને મદદ કરે છે. બોરોનના બંધારણ પ્રમાણે તેની બહારના આવરમણમાં ત્રણ ઈલેક્ટ્રોન હોય છે. સિલીકોનના બહારના પડમાં ચાંર અણુઓ છે એટલા કે બોરોનમાં ચાર અણુઓ હોય તો જ એક બીજાને જગ્યા મળી રહે. જોકે આ પ્રક્રિયામાં એક અણુ વધારાનો પડિ રહે છે.
સિલીકોનમાં ફોસ્ફરસના છંટકાવથી અબજો ફોસ્ફરસના વધારાના ઇલેક્ટ્રોનનો ફાયદો રહે છે. એવા ઇલેક્ટ્રોન નેગેટિવ એટલે કે ઋણભાર વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. એથી ઉપરનો ભાગ નેગેટિવ બની જાય છે. જેને N- ટાઇપ સિલીકોન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
સેલ નીચેના બોરોનવાળા ભાગમાં ત્રણ અણુઓને લીધે એક સ્થાન ખાલી રહે છે જેને 'હોલ' તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તો બોરોનના છૂટા પડેલા ઇલેક્ટ્રોન પોઝિટિવ P- ટાઇપ કહેવાય છે. આમ N આને P માં સામ્ય રહેલું નથી. તેમાં એકમાં અણુ વધે છે તો બીજામાં અણુ ઓછા થાય છે.
આથી વધારાના પરમાણુઓ ઓછા પરમાણુ હિસ્સા તરફ ગતિ કરે છે અને 'હોલ’ ઉપર ખસવા માંડે છે. આ પ્રક્રિયાને કારણે પોઝિટિવ ચાર્જ (+) ઉત્પન્ન થાય છે. એવી જ રીતે બોરોન તેના હોલ સમૂહ તરફ ખસી ઇલેક્ટ્રોન અણુઓ પ્રાપ્ત કરે છે. આથી નેગેટિવ ચાર્જ (–) ઉત્પન્ન થાય છે અને આ રીતે સિલીકોન વિદ્યુતનું વાહક બને છે.
આમ શુદ્ધ સિલીકોન અશુદ્ધ કરી સોલર સેલ મેળવવામાં આવે છે. આવા સોલર સેલને તાપમાં રાખતા તેની ગતિ પ્રમાણે સેકન્ડના ૧,૮૬,૧૮૨ માઇલની ઝડપે ધસી સેલમાં તોફાન જગાવે છે.
ફોસ્ફરસવાળો થર બહુ જાડો હોતો નથી, આથી બોરોનને તેની વધુ અસર થાય છે. તેના પર (પી ટાઇપ) ફોટોનના કણો પડતા જ તેમાંનો ઇલેક્ટ્રોન દૂર ધકેલાઈ જાય છે. આ રીતે લાખો ફોટોન કણો બીજા એટલા
જ કણોને સ્થાનભ્રષ્ટ કરે છે. એ ઇલેક્ટ્રોન જગા બદલતા તેમની જગા ખાલી પડે છે, જ્યાં હોલ રચાય છે. તે સમયે ઇલેક્ટ્રોન બોરોનના થરમાં આટાંફેરા કરે છે. એ પ્રમાણે ઇલેક્ટ્રોન ઋણ વીજભાર અને એન ટાઇપ ઇલેક્ટ્રોન ઘન વીજભારવાળા બની જાય છે.
બે અસમાન ધ્રુવો વચ્ચે આકર્ષણ થાય છે તે સર્વ સામાન્ય નિયમ પ્રમાણે લાખો ઇલેક્ટ્રોન સિલીકોનમાં તરતા થઈ જાય છે. આમ વિદ્યુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે. તે સૂર્ય પ્રકાશમાં રૂપાંતર પામે છે. આ જટિલ પ્રક્રિયા એટલે જ સોલાર સેલની કામગીરી.
વર્તમાન સમયમાં વિકાસની સાથે સાથે માનવ પર્યાવરણના સાધનોનું પણ નિકંદન કાઢી રહ્યો છે. જેના ભાગ રૂપે ખનીજતેલનો જથ્થો ચિંતાજનક રીતે ખતમ થઈ રહ્યો છે. તેવી જ રીતે વીજળીનું ઉત્પાદન પણ દિન પ્રતિદિન ઘટી રહ્યું છે.
આવા સમયે ઊર્જા માટેનાં વૈકલ્પિક સાધનો તરફ વિશ્વના તમામ દેશો નજર દોડાવી રહ્યા છે. કુદરતી ઊર્જાનાં વૈકલ્પિક સ્રોતમાં સૂર્યઊર્જા અને તેની મદદથી ચાલતાં સાધનોનું મહત્ત્વ પણ સતત વધી રહ્યું છે.
હાલ ભારત પણ સોલર સેલના ઉત્પાદન પ્રત્યે સજાગ બન્યું છે. વર્ષ ૨૦૦૬-૦૭માં ભારતમાં સોલર સેલ દ્વારા ઉત્પન્ન થતી વીજળીનું અંદાજે ૪૫ મેગેવોટ જેટલું હતું, જે આગામી સમયમાં વધશે તેવી ધારણા બંધાઈ રહી છે.
જ્યારે વૈશ્વિક સ્તરે આ ઉત્પાદન ૨૦૧૨માં વધીને ૨૦ હજાર મેગાવોટ થવાનું આકડાઓ કહે છે. જોકે થર્મલ વિદ્યુત ઊર્જાની સરખામણીએ આ આકડો ઘણો નાનો છે . છતાં સૌર ઊર્જા જાગૃતિ ફેલાય તેવા સંકેતો સ્પષ્ટ રીતે જોઈ શકાય છે