Güneş Pili Nedir?

Güneş pili nedir: Diğer adıyla fotovoltaik piller, yüzeylerine gelen güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür. Yarı iletken maddelerdir. Yüzeyleri daire, dikdörtgen, kare şeklindedir. Alanları 100cm² civarında kalınları 02-04 mm arasında değişir. Güneş pilinin yapısına göre, güneş enerjisi%5-%20 verimle elektrik enerjisine dönüşebilir.

Güneş Pillerinin Yapısı

Diyot, transistör, ve tristörlerden yarı-iletken maddelerden güneş pilleri  yapılır. Yapımı için silisyum/ silikon kadmiyum tellür (CaTe), galyum arsenit (GaAs) gibi inorganik yarı iletken kullanılır. Fotovoltaik pillerin yapısı basit olarak bir P ve N eklemden oluşan diyotlara benzer. Yarı iletken malzemelerin güneş pili olarak kullanılması için N ve P tipi katkılanmaları gerekir.

Bu işlem katkı maddelerinin saf yarı iletken eriyik içerisine kontrollü olarak eklenmesi ile yapılır. Elde edilen yarı iletkenin N veya P tipi olması katkı maddesine bağlıdır. Foton akımlarının toplanması için jonksiyonun her iki ucuna metal kontaklar yerleştirilir. Güneş pili hücrelerinin en üst tabakası yansıtmayı minimum seviyede tutar.

Mümkün olduğu kadar ışığı absorbe edecek anti yansıtıcı koruyucu tabaka ile kaplıdır. Mekanik koruma için dış yüzey koruyucu bir cam ile kaplıdır. Cam saydam yapıştırıcı ile sisteme tutturulmuştur. Işığın yansımasını ve kırılmasını önleyen koruyucu tabakanın altında N ve P tipi yarı iletken bulunur.

Güneş Pili Yapımı

Güneş pili yapımında kullanılan yarı iletken silisyum ile N tipi silisyum elde etmek için silisyum eriğine bir element eklenir. (Fosfor vb). Silisyumun dış yörüngesinde dört, fosforun dış yörüngesinde beş elektron bulunur. Böyle olduğu için fosforda fazla olan tek elektron kristal yapıya bir elektron verir. Bu grup elementlerine “verici” veya N tipi katkı maddeleri denir.

P tipi silisyum elde etmek için silisyum eriğine (alüminyum, indiyum, galyum, bor) elementlerinden biri eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde üç elektron bulunur. Bunun için kristalde bir elektron eksikliği oluşur. Eksik olan bu elektron yokluğuna ” hol” veya boşluk denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere “P” tipi veya “alıcı” katkı maddeleri denir. P tipi yarı iletken madde N tipi maddeye göre elektron bakımından daha zengindir.

Katkı maddelerinin P veya N tipi ana malzeme içerisine eklenmesi ile yarı iletken eklemler oluşur. N ve P tipi maddelerin arasındaki bağlantı sonucu oluşan voltaj beslemesi ile PN eklemi oluşmaktadır. P bölgesinde negatif N bölgesinde ise pozitif yük birikir. PN eklemi oluştuğunda çoğunluk taşıyıcı olan N tipi elektronlar P tipi elektronlara doğru akım oluştururlar. Bu olay her iki tarafta yük dengesi oluşuncaya kadar devam eder.

Güneş Panelinde Kullanılan Malzemeler

Kristal Silisyum

Önce büyütülüp sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar şeklinde dilimlenir. Tek kristal silisyum bloklardan imal edilir. Güneş pillerinde laboratuvar koşullarında %24, ticari modüllerde ise %15’in üzerinde verim sağlanmaktadır. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilir. Çok kristal silisyum güneş pilinin imalatı ucuz, ancak verim düşüktür. Verim, laboratuvar koşullarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır.

Galyum Arsenit (GaAs)

Bu malzemeyle laboratuvar koşullarında %25 ve %28 (optik yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarı iletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim sağlanmıştır. Galyum arsenit (GaAs) güneş pilleri optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde ve uzay uygulamalarında kullanılmaktadır.

Kadmiyum Tellürid (CdTe)

Çok kristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneş pili maliyetinin düşeceği sanılmaktadır. Laboratuvar tipi küçük hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir.

Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2)

Bu çok kristalli pildir. Laboratuvar koşullarında %17,7 ve enerji üretimi için geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiştir.

Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler

Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştırır. Mercekli veya yansıtıcılı araçlar ile modül verimi %17’ nin, pil verimi ise %30’un üzerine çıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden yapılır.

Güneş Pili Çalışma Prensibi

Güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren pillerdir. Yarı iletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesine iki aşamalı fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekir. İlk aşamada eklem bölgesine ışık düşürülerek elektron-hol çiftleri oluşturulur.

İkinci aşama da oluşan elektron-hol çiftleri bölgedeki elektrik alan yardımı ile birbirlerinden ayrılır. Bu ayrılan elektron-hol çifti güneş pilinin uçlarında güç çıkışı oluşturur. Güneş enerjisi PN eklemine gelir. Fotonlarda bulunan elektron yükü PN maddeleri arasında 0,15-0,5Volt civarında bir gerilim oluşur.

Güneş ışığında bulunan fotonlar güneş pilinin yüzeyi tarafından absorbe edilir. Elektronların eklemi pozitif tarafına, boşluklar ise eklemin negatif tarafına doğru hareket eder. Bunun sonucunda elektrik akımı oluşur. Güneş hücresi üzerine düşen ışınımlar arttıkça güneş pilinin ürettiği elektrik akımı da artar.

Güneş hücresinin gövdesi yarı iletken maddeden yapıldığı için diyota modellenmiştir. Jonksiyonda üretilen enerjinin kutuplara iletilmesinde kayıplar oluşur. Oluşan kayıplar seri direnç ile gösterilir. Bu seri direnç hücre verimliliğini doğrudan etkiler.

Jonksiyon nedir? P ve N tipi katkı maddelerinin yana yana getirilmesi ile arada oluşan tampon bölgedir. N ve P tipi bölgeleri ayıran yüzeydir. Tipik olarak bir PV hücre 25-30 cm2 lik kare bir alana sahiptir. Yaklaşık 1 kw lık güç üretir. Güç çıkışının arttırılması için çok sayıda fotovoltik hücrenin seri veya paralel bağlanarak bir yüzeye monte edilmesi ile oluşur. Bu yapıya “güneş pili modülü“, güneş modülü“, “güneş paneli” veya fotovoltaik modül denir.

Fotovoltaik sistemlerde gerilimin arttırması için güneş hücreleri seri, akım miktarının arttırılması için modüller paralel bağlanır. İstenilen güç seviyesine göre modüllerin seri veya paralel bağlanması ile enerji oluşturulabilir. Hatalara karşı korunmak için kullanılan by pas diyotları güneş hücresindeki akımı by pas etmek için anti paralel olarak bağlanır.

Güneş Pili Çeşitleri

Monokristalin Güneş Pili

Bu güneş pillerinde malzemenin atomik yapısı homojendir. Monokristalin güneş pilleri verimlilik kapsama güçleri diğerlerinden yüksektir. (%20) güneş pili çeşitlerindendir.

Teknik açıdan monokristalin güneş pillerinin üretimleri zordur. Bunun için ve üretimleri zaman alır. Bu güneş pili fiyatları verimlilik ve kapasitelerinden dolayı diğerlerinden yüksektir. Ancak monokristalin güneş pilleri dayanıklılık ve verim açısından daha çok tercih sebebidir.

Polikristalin Güneş Pili

Bu güneş pilleri monokristalden oluşur ve atomik yapısı homojen değildir. Bu güneş pillerinin verimlilik kapsama güçleri yaklaşık %16 dir. Polikristalin güneş pilleri, monokristalin güneş pillerine göre düşük, CIS güneş pillerine göre yüksektir.

Polikristalin güneş pillerinin maliyeti monokristalin güneş pillerinden düşüktür. Verimlilik kapasitelerinin maliyeti yüksektir. Böyle olduğundan en çok imal edilen güneş pilleridir.

Amorf Silikon Güneş Pili

Amorf silikon güneş pili kristal yapılı değildir. Bu güneş pillerinin yapısı sebebiyle verimlilik kapsama güçleri %5 ile %8 aralığındadır. Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılır. Amorf silisyum güneş pilinin bir başka uygulama alanı, binalara entegre yarı saydam cam yüzeylerdir. Bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği düşünülmektedir.

CIS Güneş Pili

CIS (Copper-Indium-Diselenid – Bakır-İndiyum-Diselenid). Güneş pili daha ince tabakalı ve verimlilik kapsama güçleri %10 civarındadır. CIS güneş pillerinin ince yapılı olmasından, montajları da kolaydır. Bundan dolayı maliyetinin düşük, geniş yüzeylere uygulamanın kolay olması gibi avantajları vardır.