Güneş Pili Nedir ?
Genelmekanik, ansiklopedi
Güneş hücresi, ışığı doğrudan elektrik akımına dönüştüren ( Fotovoltaik ) bir cihazdır. Yarıl iletken bir diyot olarak çalışan güneş hücresi, güneş ışığının taşıdığı enerjiyi iç fotoelektrik reaksiyondan faydalanarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür.
Türkiye Cumhuriyetin’ de 5346. No.lu kanunun kabulünden sonra yenilenebilir enerjiler daha çok önem kazanmıştır. Belgeli yenilenebilir enerji üreticilere satış garantisi veren bu kanunun benzerleri, çeşitli Avrupa Birliği ülkelerinde de uygulanmaktadır.
Güneş enerjisi kullanımı her geçen yıl artmaktadır. 20. yy’ da, dünya nüfusu kat artarken enerji talebi 16 kat artmıştır. Günümüz’ de 6,5 milyar insanın şu anki yaşam tarzını sürdürebilmesi için gerekli olan enerji miktarı, yaklaşık 13 terawatt tır. Yapılan ileriye dönük projeksiyonlara göre 2050 yılına gelindiğinde, insanoğlunun enerji ihtiyacı günümüze nazaran 10 terawatt daha artacaktır. Bu da şu anlama geliyor; eğer küresel ısınmaya sebep olmaksızın enerji elde edilmek istenirse, 2050′ ye kadar her gün 1 gigawatt’ lık nükleer enerji santrali kurmak gerekecektir. Dünya üzerinde toplam rüzgâr enerjisi potansiyeli 2-4 terawatt civarında, hidroelektrik enerji kaynağı 0,5 terawatt, jeotermal enerji kaynağı 12 terawatt gelgit ve okyanus akıntılarından üretilebilecek enerji miktarı 2 terawatt ve dünya üzerinde kullanılabilecek güneş enerjisi miktarı ise 120.000 terawat tır. Bu veriler, güneş enerjisi kullanımının önemini somut bir şekilde ortaya koymaktadır.
Günümüz bu hususta, bilimsel olarak yapılan çalışmalar, inorganik ve organik bazlı olmak ikiye ayrılmış durumdadır. Silikon içerikli güneş pilleri inorganik, organik menşeyli güneş pilleri ise organik güneş pilleri olarak adlandırılır. Organik güneş pilleri üzerinde çalışılıyor olmasının sebebi, maliyet olarak daha ucuz olmaları ve kolay uygulanabiliyor olmalarıdır. Bu son derece derece çekici iki özelliğe rağmen günümüzde organik güneş pillerinde, uygulama aşamasına geçilememiştir ve bunun sebebi hava ile kolayca oksitleniyor olması ve güneş ışığını enerjiye dönüştürme yüzdesinin (∼%11 ) silikon bazlı güneş pillerine kıyasla çok daha düşük olmasıdır.
Çalışma Prensibi
Güneş pili en basit anlamda uzun yıllardır kullandığımız hesap makinaları içerisinde de bulunabilen ve güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren piller dir. Düşük ve yüksek voltajlı birçok uygulama için farklı güneş pilleri elektrik ihtiyacı bulunan her alanda kullanılabilme özelliğine sahiptir.
Güneş ışığındaki fotonlar, elektronları yarı iletken metalik bir yonga plakasının bir katmanından bir diğer katmanına hareket ettiren enerjiyi sağlar. Elektronların bu hareketi bir akım yaratır. iki tür güneş hücresi kullanılmaktadır. Silikon ve gallium arsenid. Uydular gallium arsenidi kullanırlarken silikonlar ise genellikle yerküredeki uygulamalarda kullanılmaktadır.
Hücrenin üst tabakaları yansımayı önleyici kaplama ve korumalardan oluşur. Güneş hücreleri son derece kırılgan olduklarından böyle bir koruma çatlama ve kırılmaları önlemek açısından gereklidir. Aksi halde hücrenin çalışması sekteye uğrar ev enerji kaybına neden olur. Işık bu katmanlara nüfuz ettiğinde silikon veya gallium arsenid’ e çarpar. P ve N tabakaları arasındaki farklılıkları sebebiyle güneşten gelen enerji bunlara çarptığında elektronların N tabakasından P tabakasına akışı sağlanmış olur. P ve N tabakaları arasına tel çekilmek suretiyle güneş hücresi + ve – kutuplara sahip bir pil halini alır ve böylelikle bir araca güç sağlamak için kullanılabilir.
Depolama özelliği gösteren araçlarda piyasada bulunabilen yerküre bazında kullanılan silikon piller kullanılmaktadır. Tek tek sayısız hücre Güneş Panelini oluşturmak için bir araya getirilir. Kullanılan motora bağlı olarak bu paneller 12 ila 1.000 volt arasında gerilimde ve sonsuz watta kadar güç sağlayabilir. Güneş ışığının yoğunluğu, havanın bulutlu olması ve hava sıcaklığı güneş panelinin ürettiği gücü etkiler. Diğer tip güneş arabalarında ise herhangi bir tip güneş hücresi kullanılabilir. Bu esneklik sebebiyle bir çok güneş arabası takımı uzayda kullanılan gallium arsenid güneş hücrelerini kullanırlar. Bu piller geleneksel silikon pillere oranla genellikle daha ufak ve çok daha pahalıdır. Ancak bunlarda daha verimlidir. Bu iki hücre arasındaki güç farkı 1.000 watt a kadar çıkabilirken maliyet en az 10 kat daha fazladır.
Güneş pilleri yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 60 cm² ile 160 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.
Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik akımı oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir.
Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak %5 ila %20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.
Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül ( güneş paneli ) adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak birkaç watt’ tan megaWatt’ lara kadar sistem oluşturulur.
Yapıları
Günümüz elektronik ürünlerinde kullanılan transistörler, doğrultucu diyotlar gibi güneş pilleri de, yarı iletken maddelerden yapılırlar. Yarı iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir.
Yarı iletken maddelerden güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır. Elde edilen yarı iletkenin n ya da p tipi olması katkı maddesine bağlıdır. En yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5.grubundan bir element, örnek olarak fosfor eklenir. Silisyum un dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğu için, fosforun fazla olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir. Bu nedenle V. grup elementlerine ” verici ” ya da n tipi katkı maddesi denir.
P tipi silisyum elde etmek için ise, eriyiğe 3. gruptan bir element alüminyum, iridyum, bor gibi elementler eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur, bu elektron yokluğuna hol ya da boşluk denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere de p tipi ya da alıcı katkı maddeleri denir.
P ve n tipi malzemenin içerisine gerekli katkı maddelerinin katılması ile yarı iletken eklemler oluşturulur. N tipi yarı iletkende elektronlar, p tipi yarı iletkende holler çoğunluk taşıyıcısıdır. P ve n tipi ayrı iletkenler bir araya gelmeden önce, her iki madde de elektriksel bakımdan nötrdür. Yani p tipinde negatif enerji seviyeleri ile hol sayıları eşit, n tipinde pozitif enerji seviyeleri ile elektron sayıları eşittir. PN eklem oluştuğunda, n tipindeki çoğunluk taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine doğru akım oluştururlar. Bu olay her iki tarafta da yük dengesi oluşana kadar devam eder. PN tipi maddenin ara yüzünde, yeni eklem bölgesinde, P bölgesi tarafında negatif, N bölgesi tarafında pozitif yük birikir. Bu eklem bölgesine geçiş bölgesi ya da yükten arındırılmış bölge denir. Bu bölgede oluşan elektrik alanına yapısal elektrik alanı denir. Yarı iletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşümün sağlanması şarttır. Bu dönüşüm iki aşamada oluşur. İlk olarak, eklem bölgesine ışık düşürülerek elektron hol çiftleri oluşturulur, ikinci olarak da bunlar bölgedeki elektrik alanı yardımıyla birbirinden ayrılmasıdır.
Yarı iletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur. Bu bandlar valans bandı ve adını alır. Bu yasak enerji aralığına eşit veya daha büyük enerjili bir foton, yarı iletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans banddaki bir elektrona vererek elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar. Böylece elektron j-hol çifti oluşur. Bu olay, pn eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiş ise elektron hol çiftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde güneş pili, elektronları n bölgesine, holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır. Birbirlerinden ayrılan elektron hol çiftleri, güneş pillerinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluşturur. Bu süreç yeniden bir fotonun pil yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam eder. Yarı iletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron hol çiftleri oluşmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı için tekrar birleşerek kaybolmaktadır.
Güneş pilleri çok farklı maddeden yararlanarak üretilir. Çağımızda en çok kullanılan maddeler şunlardır:
Kristal Silisyum : Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen Tek kristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde labaratuvar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15′ in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek Çok kristal Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim daha düşük olmaktadır. Verim, labaratuvar şartlarında %18 ticari modellerde ise ortalama olarak %14 tür.
Galyum Arsenit : Bu malzemeyle labaratuvar şartlarında %25 – %28 verim elde edilmektedir. Diğer yarı iletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli GaAs ( galyum arsenit ) pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs güneş pilleri uzay projelerinde ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılır.
İnce film
Amorf Silisyum : Kristal yapı özelliği göstermeyen bu Si pillerden elde edilen verim, %10 dolayında, ticari modüllerde ise ise, %5 – %7 aralığındadır. Günümüzde daha çok küçük çaptaki aşırı enerji ihtiyacı olmayan cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneş pilinin bir başka önemli uygulama alanı, binalara entegre yarı saydam cam yüzeyler olarak, bina dış yüzey koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin edilmektedir.
Kadmiyum Tellürid : Çok kristal bir yapıda malzeme olan CdTe ile güneş pili maliyetinin daha aşağılara çekileceği tahmin edilmektedir. Labaratuvar tipi küçük hücrelerde %16, ticari modüllerde ise %7 civarında verim elde edilir.
Bakır İndiyum Diselenid : Bu çok kristal pilde labaratuvar şartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde %10,2 verim elde edildi.
Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler : Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araçlar ile modül verimi %17, pil verimi ise, %30′ ların üzerine çıkarılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden üretilir.
Bağlantılar
- Yenilenebilir Enerji kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin Kanun
” Bu web sitesinde paylaşılan içerikler tamamen bilgi amaçlı olup, resmi belge niteliği taşımaz.”
Kaynaklar :
“J. Phys Chem. C 2007 , 111, 2834-2860”
“Accounts of Chemical Research, 2009, 42 (11), 1788-1798”
