ক্রমবর্ধমান শক্তি খরচ নতুন শক্তি উৎস উন্নয়নের একটি মূল চালিকা শক্তি, যা III-V সেমিকন্ডাক্টর ফটোভোলটাইক্সের মতো প্রযুক্তিগুলিকে আরও প্রতিযোগিতামূলক করে তুলছে। ঐতিহ্যগতভাবে ব্যয়বহুল হলেও, III-V সৌর কোষগুলি উপলব্ধ সবচেয়ে কার্যকর ফটোভোলটাইক প্রযুক্তি। তাদের প্রাথমিক অসুবিধাগুলির মধ্যে রয়েছে জটিল সংশ্লেষণ, ডিভাইস নির্মাণ এবং ইন্ডিয়াম (In) এবং গ্যালিয়াম (Ga) এর মতো অপেক্ষাকৃত বিরল উপাদানের উপর নির্ভরতা। বিপরীতভাবে, তাদের সুবিধাগুলি উৎপন্ন হয় বাইনারি থেকে ক্যাটারনারি যৌগ জুড়ে নমনীয় ব্যান্ডগ্যাপ ইঞ্জিনিয়ারিং, উচ্চ শোষণ সহগ সক্ষমকারী সরাসরি ব্যান্ডগ্যাপ এবং দক্ষ আলো নির্গমন থেকে। এটি তাদেরকে উচ্চ-দক্ষতা প্রয়োগের জন্য আদর্শ করে তোলে, ঐতিহাসিকভাবে মহাকাশে (যেখানে ওজন এবং নির্ভরযোগ্যতা সর্বাধিক গুরুত্বপূর্ণ) এবং ক্রমবর্ধমানভাবে স্থল-ভিত্তিক কনসেন্ট্রেটর সিস্টেমে। এই নথিটি দক্ষতা সর্বাধিক করার জন্য উপকরণ এবং নকশার দিকগুলিতে ফোকাস করে।
এই বিভাগটি III-V সৌর কোষের জন্য মৌলিক উপকরণ এবং নির্মাণ কৌশলগুলির বিস্তারিত বর্ণনা দেয়।
III-V সেমিকন্ডাক্টরগুলি গ্রুপ III (B, Al, Ga, In) এবং গ্রুপ V (N, P, As, Sb) মৌলগুলির যৌগ। চিত্র 1 (পরবর্তীতে বর্ণিত) GaAs, InP, GaInP, এবং GaInAsP-এর মতো প্রধান যৌগগুলিকে তাদের ল্যাটিস ধ্রুবক এবং ব্যান্ডগ্যাপ দ্বারা চিত্রিত করে। GaAs এবং InP সাধারণ সাবস্ট্রেট, যাদের ব্যান্ডগ্যাপ সৌর রূপান্তরের জন্য আদর্শের কাছাকাছি। কার্যক্ষমতা হ্রাসকারী স্ট্রেন-প্ররোচিত ত্রুটি এড়াতে এই সাবস্ট্রেটগুলিতে ল্যাটিস-ম্যাচড বৃদ্ধি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) এবং Molecular Beam Epitaxy (MBE) হল উচ্চ-গুণমান, বহু-স্তরবিশিষ্ট III-V কাঠামো বৃদ্ধির প্রাথমিক কৌশল। এই পদ্ধতিগুলি পারমাণবিক স্কেলে গঠন, ডোপিং এবং স্তরের পুরুত্বের উপর সুনির্দিষ্ট নিয়ন্ত্রণ প্রদান করে, যা জটিল মাল্টি-জাংশন নকশার জন্য অপরিহার্য।
বিভিন্ন ল্যাটিস ধ্রুবক সহ উপকরণ বৃদ্ধি (যেমন, Si-এর উপর GaAs) স্ট্রেইন প্রবর্তন করে। গ্রেডেড বাফার স্তর বা মেটামরফিক গ্রোথের মতো কৌশলগুলি এই স্ট্রেইন পরিচালনার জন্য ব্যবহৃত হয়, যা মাল্টি-জাংশন সেলে সর্বোত্তম ব্যান্ডগ্যাপ জোড়ার জন্য উপকরণের সংমিশ্রণের বিস্তৃত পরিসর সক্ষম করে, যদিও জটিলতা বৃদ্ধি পায়।
এই অংশে সৌর কোষের কার্যক্রম ও দক্ষতা নিয়ন্ত্রণকারী ভৌত নীতিগুলি বর্ণনা করা হয়েছে।
Photons with energy above the bandgap ($E > E_g$) create electron-hole pairs. Excess energy is typically lost as heat ($\Delta E = h\nu - E_g$), a fundamental loss mechanism. Minimizing this thermalization loss is a key motivation for multi-junction cells.
ইমিটার এবং বেস অঞ্চলগুলি একটি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র তৈরি করতে অত্যন্ত ডোপড করা হয়। এই কোয়াসি-নিউট্রাল অঞ্চলগুলিতে, প্রধান প্রক্রিয়াগুলি হল ক্যারিয়ার ডিফিউশন এবং রিকম্বিনেশন। উচ্চ সংখ্যালঘু ক্যারিয়ার জীবনকাল এবং ডিফিউশন দৈর্ঘ্য পুনর্মিলনের আগে উৎপন্ন ক্যারিয়ার সংগ্রহ করার জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
p-n জংশনের ডিপ্লেশন রিজিয়ন হল সেই স্থান যেখানে অন্তর্নির্মিত বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র আলোক-উৎপাদিত ইলেকট্রন-হোল জোড়াকে পৃথক করে। এর প্রস্থ ডোপিং স্তর দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয় এবং ক্যারিয়ার সংগ্রহ দক্ষতাকে প্রভাবিত করে।
অধিকাংশ III-V পদার্থের মতো সরাসরি ব্যান্ডগ্যাপ উপকরণে, বিকিরণ পুনর্মিলন (শোষণের বিপরীত) উল্লেখযোগ্য। উচ্চ আলোকিত অবস্থায় (যেমন, ঘনীভবন), এটি ফোটন পুনর্ব্যবহারের দিকে নিয়ে যেতে পারে, যেখানে পুনঃনির্গত ফোটনগুলি পুনঃশোষিত হয়, সম্ভাব্যভাবে ভোল্টেজ বৃদ্ধি করে—যা উচ্চ-মানের III-V উপকরণের একটি অনন্য সুবিধা।
আলোক-তড়িৎ প্রবাহের জন্য পরিবর্তিত আদর্শ ডায়োড সমীকরণটি ভিত্তি গঠন করে: $J = J_0[\exp(qV/nkT)-1] - J_{ph}$, যেখানে $J_{ph}$ হল আলোক-তড়িৎ ঘনত্ব, $J_0$ হল অন্ধকার সম্পৃক্তি তড়িৎ, এবং $n$ হল আদর্শতা গুণাঙ্ক। $J_0$ কে ন্যূনতম করা (উচ্চ উপাদান গুণমানের মাধ্যমে) এবং $J_{ph}$ কে সর্বাধিক করা (ভাল শোষণ এবং সংগ্রহনের মাধ্যমে) হল লক্ষ্য।
একটি একক সংযোগের জন্য, তাত্ত্বিক সর্বোচ্চ দক্ষতা (শকলি-কুইসার সীমা) কেন্দ্রীভূত সূর্যালোকে প্রায় 33-34%। ~1.42 eV ব্যান্ডগ্যাপ সহ GaAs সেলগুলি এই সীমার কাছাকাছি পৌঁছায়, যা একক-সংযোগ ডিভাইসের জন্য III-V উপকরণের শ্রেষ্ঠত্ব প্রদর্শন করে।
উচ্চতর উপাদান বৈশিষ্ট্য (সরাসরি ব্যান্ডগ্যাপ, উচ্চ শোষণ, নিম্ন $J_0$) III-V একক-সংযোগ কোষগুলিকে তাদের তাপগতিবিদ্যা সীমার কাছাকাছি কাজ করতে দেয়। আরও বড় দক্ষতা অর্জনের জন্য একটি একক ব্যান্ডগ্যাপের বাইরে যাওয়া প্রয়োজন।
বিভিন্ন ব্যান্ডগ্যাপ বিশিষ্ট জাংশনগুলিকে স্তরীকরণ করা একক-জাংশনের সীমা অতিক্রম করার প্রমাণিত পথ।
অসীম সংখ্যক নিখুঁতভাবে মিলিত ব্যান্ডগ্যাপের ক্ষেত্রে, ঘনীভবনের অধীনে তাত্ত্বিক দক্ষতার সীমা 85% অতিক্রম করে। ব্যবহারিক 3-4 জাংশন কোষগুলির তাত্ত্বিক সীমা 50-60% পরিসরে থাকে।
প্রাথমিক চ্যালেঞ্জ হল এমন উপকরণ খুঁজে বের করা যার কাঙ্ক্ষিত ব্যান্ডগ্যাপ রয়েছে, যা ল্যাটিস-ম্যাচড (বা মেটামরফিক্যালি জন্মানো যেতে পারে) এবং ভাল ইলেকট্রনিক বৈশিষ্ট্য রয়েছে। সর্বোত্তম ১.০-১.২ ইভি "মধ্য" কোষের অনুসন্ধান চলছে।
একটি ক্লাসিক উদাহরণ হল ল্যাটিস-ম্যাচড GaInP/GaAs/Ge ট্রিপল-জাংশন সেল। GaInP (~1.85 eV) উচ্চ-শক্তি ফোটন শোষণ করে, GaAs (~1.42 eV) মধ্য স্পেকট্রাম শোষণ করে, এবং Ge (~0.67 eV) একটি নিম্ন-ব্যান্ডগ্যাপ নীচের কোষ হিসাবে কাজ করে। জাংশনগুলির মধ্যে কারেন্ট ম্যাচিং অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
স্টেট-অফ-দ্য-আর্ট ইনভার্টেড মেটামরফিক (IMM) ট্রিপল-জাংশন সেল, GaInP/GaAs/GaInAs-এর মতো কম্পোজিশন ব্যবহার করে, ঘনীভূত সূর্যালোকের অধীনে 47% এর বেশি প্রত্যয়িত দক্ষতা অর্জন করেছে (ন্যাশনাল রিনিউয়েবল এনার্জি ল্যাবরেটরি (NREL) রেকর্ড)। এটি ল্যাটিস সীমাবদ্ধতার বাইরে ব্যান্ডগ্যাপ ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের শক্তি প্রদর্শন করে।
সর্বোচ্চ ফটোভোলটাইক দক্ষতার জন্য মাল্টি-জাংশন আর্কিটেকচার অপ্রতিদ্বন্দ্বী চ্যাম্পিয়ন। তাদের ব্যান্ডগ্যাপ টিউনেবিলিটি এবং উচ্চ উপাদান গুণমানের কারণে III-V উপকরণগুলি এটির জন্য অনন্য ভাবে উপযুক্ত, যদিও উচ্চ খরচে।
ন্যানোস্ট্রাকচার (কোয়ান্টাম ওয়েলস, ডটস, ওয়্যারস) একটি একক উপাদান ব্যবস্থার মধ্যে উন্নত ব্যান্ডগ্যাপ ইঞ্জিনিয়ারিং বা ইন্টারমিডিয়েট ব্যান্ড সৌর কোষ তৈরির জন্য একটি সম্ভাব্য ভবিষ্যৎ পথ প্রদান করে। তবে, ক্যারিয়ার নিষ্কাশনে চ্যালেঞ্জ এবং ত্রুটিজনিত পুনর্মিলন বৃদ্ধি বর্তমানে পরিপক্ক বাল্ক মাল্টি-জাংশন ডিজাইনের তুলনায় তাদের ব্যবহারিক দক্ষতা সীমিত করে।
III-V সৌর কোষগুলি অসাধারণ উপাদান বৈশিষ্ট্য এবং পরিশীলিত ব্যান্ডগ্যাপ ইঞ্জিনিয়ারিং দ্বারা চালিত ফটোভোলটাইক রূপান্তর দক্ষতার শীর্ষস্থানকে প্রতিনিধিত্ব করে। তাদের উচ্চ মূল্য তাদের বিশেষায়িত বাজার (মহাকাশ, কনসেন্ট্রেটর ফটোভোলটাইকস) এবং মৌলিক গবেষণায় সীমাবদ্ধ রাখে। ভবিষ্যতের অগ্রগতি নির্ভর করে খরচ কমানোর কৌশল এবং ন্যানোস্ট্রাকচারের মতো নতুন ধারণা অন্বেষণের উপর।
Core Insight: III-V PV খাতটি একটি "উচ্চ-কর্মক্ষমতা, উচ্চ-খরচ" বিশেষায়িত ক্ষেত্রে আটকে থাকা প্রযুক্তির একটি ক্লাসিক উদাহরণ। এর বিবর্তন উচ্চ-কর্মক্ষমতা কম্পিউটিংয়ের মতো বিশেষায়িত খাতগুলিকে প্রতিফলিত করে, যেখানে চরম দক্ষতা উচ্চমূল্যের অর্থনীতিকে ন্যায্যতা দেয় কিন্তু গণবাজার অনুপ্রবেশ অস্পষ্ট থেকে যায়। এই নিবন্ধের মূল থিসিস—যে উপাদানের শ্রেষ্ঠত্ব রেকর্ড দক্ষতাকে সক্ষম করে—সঠিক কিন্তু সিলিকনের দানবীয় উপস্থিতির বিরুদ্ধে একটি নির্মম ব্যয়-সুবিধা বিশ্লেষণ ছাড়া অসম্পূর্ণ।
যৌক্তিক প্রবাহ: নথিটি সঠিকভাবে উপাদানের মৌলিক বিষয়গুলি (ব্যান্ডগ্যাপ, জালি ধ্রুবক) থেকে যন্ত্রের পদার্থবিদ্যা (পুনর্মিলন, সংযোগস্থল) এবং শেষ পর্যন্ত সিস্টেম-স্তরের স্থাপত্য (মাল্টি-জাংশন স্ট্যাক) পর্যন্ত গড়ে উঠেছে। এটি সঠিক প্রকৌশল শিক্ষণ পদ্ধতি। যাইহোক, এটি খরচকে গৌণ পাদটীকা হিসাবে বিবেচনা করে, গ্রহণের প্রাথমিক বাধা হিসাবে নয়। একটি আরও সমালোচনামূলক প্রবাহ হবে: ১) কোন দক্ষতা শারীরিকভাবে সম্ভব? ২) সেখানে পৌঁছাতে এর খরচ কত? ৩) সেই ব্যয়-কর্মক্ষমতা বক্ররেখা কোথায় বাজার চাহিদাকে ছেদ করে? কাগজটি #1 এ উৎকর্ষতা অর্জন করে, #2 এর দিকে আভাস দেয় এবং #3 কে উপেক্ষা করে।
Strengths & Flaws: এই গবেষণাপত্রের শক্তি হলো III-V দক্ষতা রেকর্ডের পিছনের "কীভাবে" এর উপর এর কর্তৃত্বপূর্ণ ও বিস্তারিত ব্যাখ্যা, যা শকলি-কুইসার সীমা এবং ফোটন পুনর্ব্যবহারের মতো মূল ধারণাগুলির উল্লেখ করে। এর দুর্বলতা হলো বাণিজ্যিক প্রসঙ্গের অভাব। উদাহরণস্বরূপ, "অপেক্ষাকৃত দুর্লভ মৌল (ইন, গা)" আলোচনা করার সময়, এটি সরবরাহ-শৃঙ্খলের ঝুঁকি বা মূল্যের অস্থিরতার পরিমাণ নির্দেশ করে না, যা বিনিয়োগকারীদের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। সিলিকন PV শিল্পের $/ওয়াট মেট্রিক্সের উপর অবিরাম ফোকাসের সাথে এটির বিপরীত তুলনা করুন, যা International Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV)-এর মতো প্রতিষ্ঠানের বার্ষিক প্রতিবেদনে নথিভুক্ত রয়েছে। গবেষণাপত্রের নকশা ধারণাগুলো চিরন্তন, কিন্তু এর বাজার বিশ্লেষণটি পুরনো, যা পারভোস্কাইট-সিলিকন ট্যান্ডেমের সাম্প্রতিক দ্রুত উত্থান ও খরচ পতনকে কম গুরুত্ব দেয়, যা Oxford PV এবং KAUST-এর গবেষণা দলের প্রতিবেদন অনুযায়ী, III-V-এর খরচের এক ভগ্নাংশে অনুরূপ দক্ষতা অর্জন করতে হুমকি দিচ্ছে।
বাস্তবায়নযোগ্য অন্তর্দৃষ্টি: শিল্পের অংশীদারদের জন্য, সামনের পথটি কেবল উন্নত এপিট্যাক্সি নয়। প্রথমত, হাইব্রিড মডেলগুলির দিকে ঘুরুন। III-V-এর ভবিষ্যৎ স্বতন্ত্র প্যানেল হিসেবে নয়, বরং সিলিকন বা পারভস্কাইটের সাথে যান্ত্রিকভাবে স্ট্যাকড বা ওয়েফার-বন্ডেড ট্যান্ডেমে আল্ট্রা-দক্ষ টপ সেল হিসেবে থাকতে পারে, যেখানে III-V-এর পারফরম্যান্স এবং অংশীদার প্রযুক্তির কম খরচের সাবস্ট্রেটের সুবিধা নেওয়া হয়। দ্বিতীয়ত, বিপ্লবী উৎপাদনকে গ্রহণ করুন। সরাসরি ওয়েফার বৃদ্ধি, সাবস্ট্রেট পুনর্ব্যবহারের জন্য স্পলিং (যেমন Alta Devices-এর মতো কোম্পানিগুলি দ্বারা অগ্রণী), এবং উচ্চ-থ্রুপুট MOVPE গবেষণাকে অগ্রাধিকার দিতে হবে। তৃতীয়ত, অসমমিত বাজারগুলিকে লক্ষ্য করুন। সাধারণ স্থলজ PV-এর পিছনে ছোটার পরিবর্তে, এমন অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে মনোনিবেশ করুন যেখানে দক্ষতা সরাসরি বিশাল সিস্টেম-স্তরের সঞ্চয়ে রূপান্তরিত হয়: মহাকাশ (যেখানে প্রতি গ্রাম গুরুত্বপূর্ণ), মনুষ্যবিহীন বায়বীয় যান (UAV), এবং অত্যন্ত জমি-সীমিত স্থাপনা। এই কাগজের বিশ্লেষণ প্রযুক্তিগত নকশা প্রদান করে; শিল্পকে এখন ব্যবসায়িক মডেল উদ্ভাবন কার্যকর করতে হবে যা এর সাথে মেলে।
একটি সৌর কোষের মূল দক্ষতা ($\eta$) ফটোজেনারেশন এবং পুনর্মিলন ক্ষতির মধ্যে ভারসাম্য দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়:
উচ্চ $V_{oc}$ এর মূল চাবিকাঠি হল ডার্ক স্যাচুরেশন কারেন্ট $J_0$ কে ন্যূনতম করা:
$m$ জাংশন বিশিষ্ট একটি মাল্টি-জাংশন সেলের জন্য, মোট কারেন্ট সিরিজ-সংযুক্ত স্তরে ক্ষুদ্রতম ফটোকারেন্ট ($J_{ph, min}$) দ্বারা সীমিত:
চিত্র ১-এর বিবরণ (পাঠ্যের ভিত্তিতে): এই মৌলিক চার্টটি প্রধান III-V সেমিকন্ডাক্টর (যেমন GaAs, InP, GaP, InAs, AlAs) এবং তাদের টারনারি/কোয়াটারনারি সংকর ধাতুগুলির (যেমন GaInAsP) জন্য কক্ষ তাপমাত্রায় (300K) ব্যান্ডগ্যাপ শক্তি (eV) বনাম জালি ধ্রুবক (Å) প্লট করে। একটি ছায়াযুক্ত অনুভূমিক ব্যান্ড GaInAsP সংমিশ্রণের জন্য সমন্বয়যোগ্য ব্যান্ডগ্যাপের পরিসর নির্দেশ করে। সাধারণ সাবস্ট্রেটের অবস্থান (Si, GaAs, InP) চিহ্নিত করা আছে। গুরুত্বপূর্ণভাবে, ডান অক্ষটি স্থলভাগের সৌর বর্ণালী (AM1.5) প্রদর্শন করে, যা ফোটন ফ্লাক্স বা শক্তি ঘনত্ব বনাম ফোটন শক্তি দেখায়। এই চিত্রায়নটি শক্তিশালীভাবে প্রদর্শন করে যে কীভাবে প্রধান III-V যৌগগুলির ব্যান্ডগ্যাপ (যেমন GaAs-এর জন্য ~1.42 eV, InP-এর জন্য ~1.34 eV) সর্বোচ্চ বর্ণালী শক্তির সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ, পাশাপাশি সংকর ধাতুগুলির পরিবারকে ~0.7 eV থেকে ~2.2 eV পর্যন্ত প্রায় সমগ্র উপযোগী বর্ণালী জুড়ে কভার করার জন্য প্রকৌশল প্রয়োগ করা যেতে পারে, যা সর্বোত্তম মাল্টি-জাংশন নকশা সক্ষম করে।
উৎস: National Renewable Energy Laboratory (NREL) Best Research-Cell Efficiency Chart.
Case: Evaluating a New Middle Cell Material for a 4-Junction Stack
ফ্রেমওয়ার্ক ধাপসমূহ:
এই কাঠামোটি সরল ব্যান্ডগ্যাপ নির্বাচনের বাইরে গিয়ে অপটোইলেকট্রনিক গুণমান এবং একীকরণের সম্ভাবনার একটি সামগ্রিক মূল্যায়নের দিকে অগ্রসর হয়।