GÜNEÅž IÅžIÄžINI ELEKTRÄ°K ENERJÄ°SÄ°NE ÇEVÄ°REN TEMEL SÄ°STEM
GÜNEÅž PÄ°LÄ°
Ögün Isı ürün yelpazesi fotovoltaik güneÅŸ pilinden baÅŸlayarak özel boyutta birçok fotovoltaik panel, sokak lambaları, trafik lambaları, yerel ve endüstriyel elektrik amaçlı sistemleri içerisinde barındırmaktadır. GüneÅŸ pili en basit anlamda eskiden beri kullandığımız hesap makinaları içerisinde bulunan ve güneÅŸ enerjisini elektrik enerjisine çeviren hücrelerdir. DüÅŸük ve yüksek voltajlı birçok uygulama için farklı güneÅŸ pilleri Özgün Isı olarak müÅŸterilerimize sunmaktayız.
GüneÅŸ pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneÅŸ ışığını doÄŸrudan elektrik enerjisine dönüÅŸtüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire ÅŸeklinde biçimlendirilen güneÅŸ pillerinin alanları genellikle 60 cm2 ile 160 cm2 civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır...
GüneÅŸ pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düÅŸtüÄŸü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluÅŸur. Pilin verdiÄŸi elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneÅŸ enerjisidir. (GüneÅŸ pillerinin yapısı ve çalışması)
GüneÅŸ enerjisi, güneÅŸ pilinin yapısına baÄŸlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.
Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneÅŸ pili birbirine paralel ya da seri baÄŸlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneÅŸ pili modülü ya da fotovoltaik modül (güneÅŸ paneli) adı verilir. Güç talebine baÄŸlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel baÄŸlanarak bir kaç Watt’tan megaWatt’lara kadar sistem oluÅŸturulur.
GüneÅŸ Pillerinin Yapısı
Günümüz elektronik ürünlerinde kullanılan transistörler, doÄŸrultucu diyotlar gibi güneÅŸ pilleri de, yarı-iletken maddelerden yapılırlar. Yarı-iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneÅŸ pili yapmak için en elveriÅŸli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir.
Yarı-iletken maddelerin güneÅŸ pili olarak kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarıiletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır. Elde edilen yarı-iletkenin n ya da p tipi olması katkı maddesine baÄŸlıdır. En yaygın güneÅŸ pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için silisyum eriyiÄŸine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element, örneÄŸin fosfor eklenir. Silisyum’un dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduÄŸu 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, eriyiÄŸe 3. gruptan bir element (alüminyum, indiyum, bor gibi) eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduÄŸu için kristalde bir elektron eksikliÄŸi oluÅŸur, bu elektron yokluÄŸuna hol ya da boÅŸluk denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere de "p tipi" ya da "alıcı" katkı maddeleri denir.
P ya da n tipi ana malzemenin içerisine gerekli katkı maddelerinin katılması ile yarıiletken eklemler oluÅŸturulur. N tipi yarıiletkende elektronlar, p tipi yarıiletkende holler çoÄŸunluk taşıyıcısıdır. P ve n tipi yarıiletkenler biraraya gelmeden önce, her iki madde de elektriksel bakımdan nötrdür. Yani p tipinde negatif enerji seviyeleri ile hol sayıları eÅŸit, n tipinde pozitif enerji seviyeleri ile elektron sayıları eÅŸittir. PN eklem oluÅŸtuÄŸunda, n tipindeki çoÄŸunluk taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine doÄŸru akım oluÅŸtururlar. Bu olay her iki tarafta da yük dengesi oluÅŸana kadar devam eder. PN tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, P bölgesi tarafında negatif, N bölgesi tarafında pozitif yük birikir. Bu eklem bölgesine "geçiÅŸ bölgesi" ya da "yükten arındırılmış bölge" denir. Bu bölgede oluÅŸan elektrik alan "yapısal elektrik alan" olarak adlandırılır. Yarıiletken eklemin güneÅŸ pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüÅŸümün saÄŸlanması gerekir. Bu dönüÅŸüm iki aÅŸamada olur, ilk olarak, eklem bölgesine ışık düÅŸürülerek elektron-hol çiftleri oluÅŸturulur, ikinci olarak ise, bunlar bölgedeki elektrik alan yardımıyla birbirlerinden ayrılır.
Yarıiletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluÅŸur. Bu bandlar valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eÅŸit veya daha büyük enerjili bir foton, yarıiletken tarafından soÄŸurulduÄŸu zaman, enerjisini valans banddaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını saÄŸlar. Böylece, elektron-hol çifti oluÅŸur. Bu olay, pn eklem güneÅŸ pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiÅŸ ise elektron-hol çiftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu ÅŸekilde güneÅŸ pili, elektronları n bölgesine, holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır. Birbirlerinden ayrılan elektron-hol çiftleri, güneÅŸ pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluÅŸtururlar. Bu süreç yeniden bir fotonun pil yüzeyine çarpmasıyla aynı ÅŸekilde devam eder. Yarıiletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol çiftleri oluÅŸturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı için tekrar birleÅŸerek kaybolmaktadırlar.
GüneÅŸ pilleri pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok kullanılan maddeler ÅŸunlardır:
Kristal Silisyum: Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan üretilen güneÅŸ pillerinde laboratuvar ÅŸartlarında %24, ticari modüllerde ise %15’in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çokkristal Silisyum güneÅŸ pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düÅŸük olmaktadır. Verim, laboratuvar ÅŸartlarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır.
Galyum Arsenit (GaAs): Bu malzemeyle laboratuvar ÅŸartlarında %25 ve %28 (optik yoÄŸunlaÅŸtırıcılı) verim elde edilmektedir. DiÄŸer yarıiletkenlerle birlikte oluÅŸturulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiÅŸtir. GaAs güneÅŸ pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoÄŸunlaÅŸtırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır.
-Ä°nce Film-
Amorf Silisyum: Kristal yapı özelliÄŸi göstermeyen bu Si pillerden elde edilen verim %10 dolayında, ticari modüllerde ise %5-7 mertebesindedir. Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneÅŸ pilinin bir baÅŸka önemli uygulama sahasının, binalara entegre yarısaydam cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceÄŸi tahmin edilmektedir.
Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çok kristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneÅŸ pili maliyetinin çok aÅŸağılara çekileceÄŸi tahmin edilmektedir. Laboratuvar tipi küçük hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir.
Bakır Ä°ndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çokkristal pilde laboratuvar ÅŸartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliÅŸtirilmiÅŸ olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiÅŸtir.
Optik YoÄŸunlaÅŸtırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoÄŸunlaÅŸtıran mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17’nin, pil verimi ise %30’un üzerine çıkılabilmektedir. YoÄŸunlaÅŸtırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden Bu çokkristal pilde laboratuvar ÅŸartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliÅŸtirilmiÅŸ olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiÅŸtir. Çok kristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneÅŸ pili maliyetinin çok aÅŸağılara çekileceÄŸi tahmin edilmektedir. Laboratuvar tipi küçük hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir. Kristal yapı özelliÄŸi göstermeyen bu Si pillerden elde edilen verim %10 dolayında, ticari modüllerde ise %5-7 mertebesindedir. Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneÅŸ pilinin bir baÅŸka önemli uygulama sahasının, binalara entegre yarısaydam cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceÄŸi tahmin edilmektedir. Bu malzemeyle laboratuvar ÅŸartlarında %25 ve %28 (optik yoÄŸunlaÅŸtırıcılı) verim elde edilmektedir. DiÄŸer yarıiletkenlerle birlikte oluÅŸturulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiÅŸtir. GaAs güneÅŸ pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoÄŸunlaÅŸtırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır. Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan üretilen güneÅŸ pillerinde laboratuvar ÅŸartlarında %24, ticari modüllerde ise %15’in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çokkristal Silisyum güneÅŸ pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düÅŸük olmaktadır. Verim, laboratuvar ÅŸartlarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır.
