Güneş Pili

Güneş Pili Çalışma Prensibi ve Fotoelektrik Etki

Bu yazıda güneş enerjisinden güneş pili veya fotovoltaik hücre vasıtasıyla nasıl elektrik üretildiğini göstereceğiz. Özellikle son yıllarda güneş enerjisinden elde edilen enerjiyle dünyanın toplam enerji ihtiyacına katkısı eskiye nazaran büyük bir artış göstermiştir.

Güneş Pili: Ardındaki Tarihi

Takvimlerin 1839 yılını gösterdiği sıralarda A.Edmond Becquerel platin tabakalar üzerinde yaptığı çalışmayla ilk olarak fotovoltaik etki bulunmuş oldu. Bundan yaklaşık 45 yıl sonra da Charles Fritts’in ilk güneş pili hücresini geliştirmesiyle birlikte güneş pili teknolojisinin doğuşu başlamış oldu.

1954 yılına gelindiğinde ise Bell Laboratuvarlarındaki bilim adamları iyon yüklü silisyumları, yani bilinen adıyla silikon ile güneş pilleri oluşturularak bugünkü güneş pili teknolojisinin temelini oluşturdular.

Olayların mantığını adım adım irdeleyerek inceleyelim;

Gezegenimizin en büyük enerji kaynağı nedir diye sorarsanız eğer bu sorunun cevabı kesinlikle Güneş enerjisidir. En büyük enerji kaynağı olmasının yanı sıra maliyetsiz bir enerji kaynağı olması da Güneş enerjisinden faydalanmayı cazip kılmaktadır.

Gelelim “Fotovoltaik panel” olarak adlandırılan Güneş pillerinin kullanılmasına. Güneşten gelen sonsuz enerjiyi kullanabilmemiz için Dünyamızda en çok bulunan ikinci madde olan “Kum‘dan” yararlanılır.

Kumun güneş pillerinde kullanılabilmesi için öncelikle karmaşık bir saflaştırma sürecinden geçirilip % 99,999 saflıkta olan “Silikon kristallerine” dönüştürülmesi gerekiyor. Sonrasında ise elde edilen ham silikon, gaz halindeki bir silikon bileşiği formuna dönüştürülür. Dönüştürülmüş olan bu form hidrojen gazıyla karıştırılıp yüksek oranda saflaştırılmış poli kristal silikon elde edilir.

Elde edilen silikon külçeler yeniden şekillendirilir. Sonrasında ise “Wafer” adı verilen bir yöntem uygulanır ve silikon çok ince dilimler olacak şeklinde kesilir.

Silikon plaka, bir fotovoltaik hücrenin olmazsa olmazı tabiri caizse kalbidir. Silikon atomlarının yapısını analiz edildiğinde, birbirlerine bağlandıkları görülecektir. Haliyle elektronların da hareket özgürlüğü olmayacaktır. İşlevi kolaylaştırmak için 5 değerlik elektronlu fosfor atomlarının silikon atomlarının içine enjekte edildiğini varsayalım. Bu yapılana N tipi silisyum adı verilir. Böylece elektronların hareket etmesi serbest olacaktır. Ortaya çıkan böyle bir düzende elektronlar yeterli enerjiyi aldıklarında serbestçe hareket edeceklerdir. Ancak ortada aşılması gereken bir başka sorun vardır: Elektron akışının tek yönlü olmasını sağlanmalı!

İtici güç

Elektron akışını tek yönlü yapabilmek için itici bir kuvvete ihtiyaç duyulur. Böylesi İtici bir kuvveti üretmenin en pratik ve kolay yolu ise, bir PN bağlantısı sağlamaktır. Saf silikona 3 değerlik elektronlu bir bor enjekte edilirse, her atom için bir boşluk olacaktır. Buna ise P tipi silisyum adı verilir. Bu iki tür katkılı malzeme bir araya gelirse, N tarafındaki bazı elektronlar P bölgesine göç edecek ve buradaki mevcut delikleri dolduracaktır. Bu şekilde, serbest elektronların ve deliklerin olmadığı bir tükenme bölgesi oluşur. Elektron göçü ile N tarafı pozitif yüklü olup P tarafı da negatif yüklü olur. Bu yükler arasında oluşan elektrik alanı da gerekli olan itici gücü sağlar ve N taraflı pozitif bölgeden P taraflı negatif bölgeye bir akış sağlanır.

Güneş ışığı, oluşturulan bu PN bağlantısına çarptığında oldukça ilginç bir şey olur. Gelen ışık önce N bölgesine çarpar ve emilerek doğruca tükenme bölgesine kadar ulaşır. Bu foton enerjisi, tükenme bölgesinde elektron çiftleri oluşturmak için yeterli olacaktır. Yine bu bölgede oluşan elektrik alanı, elektronları tükenme bölgesinden çıkarır. 

Tam da bu noktada, N bölgesindeki elektron konsantrasyonunun ve P bölgesindeki deliklerin, aralarında potansiyel fark oluşacak kadar yükseldiği gözlemlenecektir. Bu bölgeler arasında herhangi bir yük bağladığı anda ise elektronlar yük boyunca akmaya başlayacaktır. Elektronlar, yollarını tamamladıktan sonra P bölgesindeki deliklerle yeniden birleşeceklerdir. Böylece, bir güneş pili sürekli olarak doğru akım verecektir.

Temel Güneş Pili

Temel bir güneş pilinde, hücrenin performansını artırmak için üstte bulunan pozitif yüklü N tabakası çok ince ve yoğun katkılı olur. Buna karşılık negatif yüklü olan P tabakası kalın ve az katkılı olur. Bu sayede tükenme bölgesinin kalınlığının bir önceki duruma göre çok daha yüksek olması amaçlanır ve Güneş ışığının çarpmasıyla elektron deliği çiftlerinin önceki duruma göre daha geniş bir alanda üretilmesi sağlanmış olur. Haliyle PV hücresi tarafından daha fazla akım üretimi elde edilmiş olur.

Güneş Panelinin Yapısı

Şimdi gelelim standart bir güneş panelinin yapısını incelemeye. Güneş panelleri çeşitli katmanlara sahiptir;

Bu katmanlardan biri bir hücre tabakasıdır. Burada PV hücreleri birbirine bağlanır: Toplanan elektronlarda hücrenin üst negatif tarafı, bakır şeritlerle bir sonraki hücrenin arka tarafına olacak şekilde bir nevi “Seri bağlantı” yapılır. Bu seri bağlı hücreler başka bir hücre serisine paralel olarak bağlanmasıyla güneş paneli elde edilmiş olur. 

Tek bir PV hücresi yaklaşık olarak 0,5 Voltajlık elektrik üretir. Hücrelerin seri ve paralel bağlanmasının kombinasyonuyla akım ve gerilim değerleri kullanılabilir bir aralığa yükseltilir. Hücrelerin her iki tarafında da bulunan EVA kaplama tabakası onları şoklardan, titreşimlerden, nemden ve kirden korur.

Polikristal ve Monokristal Güneş Panelleri

Güneş panellerini görenlerin fark edeceği bir şey var ki o da görünümleri. İç kristal örgü yapısındaki fark nedeniyle iki farklı görünümleri bulunur. Polikristal güneş panellerinde, çoklu kristaller rastgele bir şekilde konumlandırılmıştır. 

Silikon kristallerinin kimyasal süreci bir adım daha ileri götürülürse, polikristalin hücreler mono kristalin hücreler haline gelecek ve monokristal panellerini oluşturacaktır. Her ikisinin de çalışma prensipleri aynı olsa da, tek kristalli hücreler daha yüksek elektriksel iletkenlik sunar. Tek kristalli hücrelerdeki benzersiz sekizgen şekil, hücre alanını materyal kaybı olmadan daha etkili bir şekilde kullanır. Bununla birlikte, tek kristalli hücreler oldukça pahalıdır. Maliyeti sebebiyle yaygın olarak kullanılmamaktadır.

Evlerin çatılarına benzer yerlerde kullanılan güneş panelleri, AKÜ gibi çeşitli aletler yardımıyla elektrik depolama seçeneğine sahip olsalar da güneş panellerinden oluşmuş bir santralde büyük miktarda bir depolama mümkün değildir. Bundan dolayı, genellikle elektrik şebekesine, diğer geleneksel enerji santrali çıkışlarının bağlandığı şekilde bağlanırlar. Güç invertörleri yardımıyla doğrudan akım (DC), Alternatif akıma (AC) dönüştürülür ve şebekeye verilir.

Güneş panelinin teorik maksimum verimi neredeyse % 30 civarındadır. Pratikte ise güneş pilinde ekstra kayıplar da vardır. Optik ve elektriksel kayıplar en göze çarpanlardır. Optik kayıplarını yansıma, gölgeleme ve iletimde yaşanan kayıplar oluştururken elektrik kayıplarında ise kontaklar, yarı iletkenlik, Metal SC arayüzü gibi omik kayıplardan oluşmaktadır.

Güneş Pili: Fotoelektrik Etki

Güneş ışığının doğrudan elektriğe dönüştürülmesine fotoelektrik etki denir. Pratikte güneş panelinin en yüksek verimliliği % 15 ile % 20 değerleri arasındadır. Güneşten elektrik üretimi teknik olarak uygulanabilir olsa da yüksek sermaye maliyeti nedeniyle ekonomik olarak uygun değildir. Ayrıca, hava durumuna bağımlılık, Pahalı üretim süreci, toplu enerji depolama sorunu, gerekli geniş alan gibi bazı faktörler nedeniyle oldukça sınırlı kullanım alanına sahiptir. Ancak bu sorunların da üstesinden gelmek için çalışmalar devam etmektedir. 

Güneş Pilleri Nedir?

Güneş pilleri diğer bir adıyla solar paneller Güneşten gelen ışınları absorbe ederek elektrik enerjisine çeviren sistemlerdir. 

Benzer içerikte yazılar okumak için tıklayın.

Kaynak ve detaylı bilgi için;

https://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/gunes-pilleri-nasil-calisir/10272#ad-image-0

Paylaşmak isterseniz;

Bir Cevap Yazın