Fotovoltaik Piller
Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını aracısız olarak elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları çoğunlukla 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,20,4 mm arasındadır
Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü süre uçlarında elektrik gerilimi oluşur Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir (Güneş pillerinin yapısı ve çalışması)
Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir
Baskı çıkışını artmak nedeniyle çok sayıda güneş pili birbirine paralel veya seri bağlanarak bir yüzey üstüne monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü veya fotovoltaik modül adı verilir Baskı talebine ast olarak modüller birbirlerine süratli veya paralel bağlanarak bir kaç Watt'tan megaWatt'lara kadar sistem oluşturulur
Güneş Pillerinin Yapısı
Günümüz elektronik ürünlerinde kullanılan transistörler, doğrultucu diyotlar gibi güneş pilleri de, sankiiletken maddelerden yapılırlar Sözdegeçirgen özellik belirten çoğu madde aralarında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir
Güyailetken maddelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n veya p tipi katkılanmaları gereklidir Katkılama, saf yarıiletken eriyik içerisine istenilen katkı maddesi maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır Elde edilen sözdeiletkenin n veya p tipi olması katkı maddesine bağlıdır En yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum edinmek için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5 grubundan bir element, mesela fosfor eklenir Silisyum'un dış etki alanında 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğu için, fosforun pozitif olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir böylece V grup elementlerine vericiya da n tipikatkı denir
P tipi silisyum elde etmek için ise, eriyiğe 3 gruptan bir element (alüminyum, indiyum, bor gibi) eklenir Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur, bu elektron yokluğuna antre ya da avarelik denir ve fazla siklet taşıdığı varsayılır Bu tür maddelere de p tipiya da tipkatkı maddesi maddeleri denir
P veya n tipi belli başlı malzemenin içerisine zorunlu katkı maddelerinin katılması ile yarıiletken eklemler oluşturulur N tipi yarıiletkende elektronlar, p tipi yarıiletkende holler ekseriyet taşıyıcısıdır P ve n tipi yarıiletkenler biraraya gelmeden önce, her iki madde de elektriksel bakımdan nötrdür Yani p tipinde olumsuz enerji seviyeleri ile koridor sayıları eşdeğer, n tipinde fazla enerji seviyeleri ile elektron sayıları eşittir PN eklem oluştuğunda, n tipindeki ekseriyet taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine içten eğilim oluştururlar Bu durum her iki tarafta da yük dengesi oluşana değin devam eder PN tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, P bölgesi tarafında olumsuz, N bölgesi tarafında fazla yük birikir Bu eklem bölgesine geçiş bölgesiya da yükten arındırılmış bölgedenir Bu bölgede oluşan elektrik bölge yapı elektrik alanolarak adlandırılır Yarıiletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekir Bu mutasyon iki aşamada olur, başlangıçta, eklem bölgesine ışık düşürülerek elektronantre çiftleri oluşturulur, ikinci olarak ise, bunlar bölgedeki elektrik bölge yardımıyla birbirlerinden ayrılır
Yarıiletkenler, bir yasaklanmış enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur Bu bandlar valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar Bu yasak enerji aralığına eşdeğer veya daha büyük enerjili bir foton, yarıiletken kadar soğurulduğu zaman, enerjisini valans banddaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar Bu Nedenle, elektronantre çifti oluşur Bu olay, pn eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiş ise elektronkoridor çiftleri buradaki elektrik bölge tarafından birbirlerinden ayrılır Bu şekilde güneş pili, elektronları n bölgesine, holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır Birbirlerinden ayrılan elektronantre çiftleri, güneş pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluştururlar Bu süreç baştan bir fotonun batarya yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam eder Yarıiletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektronhol çiftleri oluşturulmaktadır Lakin zorunlu elektrik bölge olmadığı için yeniden birleşerek kaybolmaktadırlar
Güneş pilleri böylece çok ayrı maddeden yararlanarak üretilebilir Günümüzde en fazla kullanılan maddeler şunlardır:
Kristal Silisyum: Önce büyütülüp sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde laboratuvar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde edilmektedir Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çokkristal Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük olmaktadır Verim, laboratuvar şartlarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır
Galyum Arsenit (GaAs): Bu malzemeyle laboratuvar şartlarında %25 ve %28 (optik yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir Öteki yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan fazla eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir GaAs güneş pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır
İnce Film:
Şekilsiz Silisyum: Kristal yapı özelliği göstermeyen bu Si pillerden elde edilen verim %10 dolayında, ticari modüllerde ise %57 mertebesindedir Günümüzde daha fazla küçük elektronik cihazların enerji kaynağı olarak kullanılan biçimsiz silisyum güneş pilinin bir diğer önemli başvuru formu sahasının, binalara entegre yarısaydam cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin edilmektedir
Kadmiyum Tellürid (CdTe): Fazla kristal yapıda bir araç gereç olan CdTe ile güneş pili maliyetinin fazla aşağılara çekileceği varsayım edilmektedir Laboratuvar tipi ufak hücrelerde %16, ticari müşteri modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir
Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çokkristal pilde laboratuvar şartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiştir
Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli ya da yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17'nin, batarya verimi ise %30'un üzerine çıkılabilmektedir Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden yapılmaktadır *
Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını aracısız olarak elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları çoğunlukla 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,20,4 mm arasındadır
Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü süre uçlarında elektrik gerilimi oluşur Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir (Güneş pillerinin yapısı ve çalışması)
Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir
Baskı çıkışını artmak nedeniyle çok sayıda güneş pili birbirine paralel veya seri bağlanarak bir yüzey üstüne monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü veya fotovoltaik modül adı verilir Baskı talebine ast olarak modüller birbirlerine süratli veya paralel bağlanarak bir kaç Watt'tan megaWatt'lara kadar sistem oluşturulur
Güneş Pillerinin Yapısı
Günümüz elektronik ürünlerinde kullanılan transistörler, doğrultucu diyotlar gibi güneş pilleri de, sankiiletken maddelerden yapılırlar Sözdegeçirgen özellik belirten çoğu madde aralarında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir
Güyailetken maddelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n veya p tipi katkılanmaları gereklidir Katkılama, saf yarıiletken eriyik içerisine istenilen katkı maddesi maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır Elde edilen sözdeiletkenin n veya p tipi olması katkı maddesine bağlıdır En yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum edinmek için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5 grubundan bir element, mesela fosfor eklenir Silisyum'un dış etki alanında 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğu için, fosforun pozitif olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir böylece V grup elementlerine vericiya da n tipikatkı denir
P tipi silisyum elde etmek için ise, eriyiğe 3 gruptan bir element (alüminyum, indiyum, bor gibi) eklenir Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur, bu elektron yokluğuna antre ya da avarelik denir ve fazla siklet taşıdığı varsayılır Bu tür maddelere de p tipiya da tipkatkı maddesi maddeleri denir
P veya n tipi belli başlı malzemenin içerisine zorunlu katkı maddelerinin katılması ile yarıiletken eklemler oluşturulur N tipi yarıiletkende elektronlar, p tipi yarıiletkende holler ekseriyet taşıyıcısıdır P ve n tipi yarıiletkenler biraraya gelmeden önce, her iki madde de elektriksel bakımdan nötrdür Yani p tipinde olumsuz enerji seviyeleri ile koridor sayıları eşdeğer, n tipinde fazla enerji seviyeleri ile elektron sayıları eşittir PN eklem oluştuğunda, n tipindeki ekseriyet taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine içten eğilim oluştururlar Bu durum her iki tarafta da yük dengesi oluşana değin devam eder PN tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, P bölgesi tarafında olumsuz, N bölgesi tarafında fazla yük birikir Bu eklem bölgesine geçiş bölgesiya da yükten arındırılmış bölgedenir Bu bölgede oluşan elektrik bölge yapı elektrik alanolarak adlandırılır Yarıiletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekir Bu mutasyon iki aşamada olur, başlangıçta, eklem bölgesine ışık düşürülerek elektronantre çiftleri oluşturulur, ikinci olarak ise, bunlar bölgedeki elektrik bölge yardımıyla birbirlerinden ayrılır
Yarıiletkenler, bir yasaklanmış enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur Bu bandlar valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar Bu yasak enerji aralığına eşdeğer veya daha büyük enerjili bir foton, yarıiletken kadar soğurulduğu zaman, enerjisini valans banddaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar Bu Nedenle, elektronantre çifti oluşur Bu olay, pn eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiş ise elektronkoridor çiftleri buradaki elektrik bölge tarafından birbirlerinden ayrılır Bu şekilde güneş pili, elektronları n bölgesine, holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır Birbirlerinden ayrılan elektronantre çiftleri, güneş pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluştururlar Bu süreç baştan bir fotonun batarya yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam eder Yarıiletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektronhol çiftleri oluşturulmaktadır Lakin zorunlu elektrik bölge olmadığı için yeniden birleşerek kaybolmaktadırlar
Güneş pilleri böylece çok ayrı maddeden yararlanarak üretilebilir Günümüzde en fazla kullanılan maddeler şunlardır:
Kristal Silisyum: Önce büyütülüp sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde laboratuvar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde edilmektedir Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çokkristal Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük olmaktadır Verim, laboratuvar şartlarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır
Galyum Arsenit (GaAs): Bu malzemeyle laboratuvar şartlarında %25 ve %28 (optik yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir Öteki yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan fazla eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir GaAs güneş pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır
İnce Film:
Şekilsiz Silisyum: Kristal yapı özelliği göstermeyen bu Si pillerden elde edilen verim %10 dolayında, ticari modüllerde ise %57 mertebesindedir Günümüzde daha fazla küçük elektronik cihazların enerji kaynağı olarak kullanılan biçimsiz silisyum güneş pilinin bir diğer önemli başvuru formu sahasının, binalara entegre yarısaydam cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin edilmektedir
Kadmiyum Tellürid (CdTe): Fazla kristal yapıda bir araç gereç olan CdTe ile güneş pili maliyetinin fazla aşağılara çekileceği varsayım edilmektedir Laboratuvar tipi ufak hücrelerde %16, ticari müşteri modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir
Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çokkristal pilde laboratuvar şartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiştir
Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli ya da yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17'nin, batarya verimi ise %30'un üzerine çıkılabilmektedir Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden yapılmaktadır *
