Fotovoltaik hücreler
Güneş pili (Photovoltaic Cell) yüzeyine gelen güneş ışınlarını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken teknolojisi ile üretilmiş bir elektrik kaynağıdır. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şekillerinde üretilen güneş hücrelerinin yüzey alanları genellikle 100 cm2 civarındadır. Kalınlıkları da 0,2 ile 0,4 mm arasında olabilmektedir. [1] Fotovoltaik cihazların yapımında en çok kullanılan yarı iletken malzemeler, silisyum ve silisyum alaşımlarıdır
Güneş pillerinin üzerine ışık düştüğü zaman bağlantı uçlarında DC gerilim oluşur. Oluşan elektriğin değeri, üzerine düşen gün ışığının şiddetine, geliş açısına ve iklimsel parametrelere göre değişir. Dönüşümden elde edilen elektrik enerjisinin verimi yarı iletken hücrelerin yapısına göre %10 ile %20 arasında değişmektedir.
Fotovoltaik yapı iki katmanlı silisyumdan meydana gelmiştir. N tipi taban üzerinde ince bir P tipi malzeme bulunmaktadır. Işık bu iki malzemenin eklemine(junction) düştüğünde, N-tipi malzemenin P-tipine göre pozitif olduğu bir gerilim meydana gelir. Çıkış gerilimi, elemanın üzerine düşen ışık şiddetine bağlıdır ve maksimum 0.6 V değerini alabilir. Çıkışa bir yük bağlandığında, bir akım akacaktır. Bu akımın şiddeti, eleman yüzey alanına düşen ışık şiddetiyle orantılıdır. Hücreler (piller), seri ya da paralel bağlanarak elde edilecek akım ve gerilim ile istenilen güç değerlerinde Fotovoltaik modüller, bunlardan da bilinen güneş panelleri oluşturulabilir.
Kısaca özetlersek: Güneş pillerinin işlevi fotovoltaiktir. Güneş pilleri, güneşten gelen Fotonları doğrudan elektriğe çeviren yarı iletken maddelerden yapılmış olup Diyot gibi davranırlar. Güneş pillerinin üst tabakalarında çatlamaların, kırılmaların, dolayısıyla enerji kaybının önlenmesi için koruma kaplamaları bulunur. Kaplamalar aynı zamanda ışın yansımalarını önleyici özelliğe sahiptiler. Katmanların altında N tipi ve P tipi yarıiletken maddeler bulunur. N ve P tipi maddeler yarıiletken maddelerin eriyik halindeyken istenilen maddeler ile kontrollü olarak katkılandırılması sonucu oluşurlar. Güneş pillerinde yarıiletken madde olarak çoğunlukla çok kristalli-Polikristalin silisyum kullanılmaktadır. [2]
Bir PV (Photo Voltaic) Güneş modülünün verimliliği iki ana etkene bağlıdır;
1) Hücre verimliliği
2) Hücre üzerine düşen ışının şiddeti ve yoğunluğu
Güneş pillerinin üretilmesinde kullanılan materyaller hücre verimliliğini sınırlayan faktörlerin başında gelmektedir. Bunlar verimliliğin arttırılmasını zorlaştırmakta ve bu sebeple hücrenin tüm performansını sınırlamaktadır. Buna karşın pil üzerine düşen ışın miktarının arttırılması daha kolay bir yöntemdir.
Yarı iletkenli elektronik devre elemanlarının yapısını da oluşturan Silisyum ve Germanyum elementleri devre elemanı üretiminde saf olarak kullanılmaz. Bu maddelere katkılar yapılarak Değerlik Bandı enerji seviyesi yukarıya veya İletkenlik Bandı enerji seviyesi aşağıya çekilir. Değerlik bandının yukarı çekildiği yarı iletkenlere P tipi yarı iletken, iletkenlik bandının aşağıya çekildiği yarı iletkenlere ise N tipi yarı iletken denir. P tipi yarı iletkende yüklü boşluk(hol) derişimi, N tipi yarı iletkende ise elektron(e-) derişimi göreceli olarak daha yüksektir.
Günümüzde güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmek için yarı iletken malzemelerden azami ölçüde yararlanılmaktadır. Zira güneşten gelen Foton tanecikleri yarı iletkenlerin atomik yapısındaki zayıf moleküler bağlar sayesinde elektronların serbest kalmalarını sağlarlar ve bu da diğer bir yarı iletken yapıya elektron akışını mümkün kılar. Uzun zamandır ve günümüzde de halen bazı hesap makineleri bu güneş pili enerjisi ile çalışmaktadır.
Güneş pillerinin yapısı ve özellikleri
Bir güneş pilinin yapısı şekil 5-1’de verilmiştir. Tek kristalli silisyum güneş pilinin rengi koyu mavi olup, ağırlığı 10 gram’dan azdır[2]. Şekil de görülebileceği gibi, pilin üst yüzeyinde, pil tarafından üretilen akımı toplayacak ve malzemesi genellikle Bakır olan ön kontaklar vardır. Bunlar Negatif kontaklardır. Kontakların altında 150 mm kalınlığında, yansıtıcı özelliği olmayan bir kaplama tabakası vardır. Bu tabaka olmazsa, Silisyum üzerine düşen ışınımın üçte birine yakın kısmı yansıyacağından işe yaramamış olacaktır.
Pilin ön yüzeyi, normal olarak yansıyan ışığın bir kısmını daha yakalayabilmek amacıyla, piramitler ve konikler seklinde tasarlanmıştır. Yansıtıcı olmayan tabakanın altında, pilin elektrik akımının ortaya çıktığı yapı bulunur. Bu yapı iki farklı katman halindedir. N-katmanı, fosfor atomları eklenmiş silisyumdan oluşan ve pilin negatif tarafını oluşturan katmandır. P-katmanı ise, bor atomları eklenmiş silisyumdan oluşmuş olan pozitif tarafıdır. İki katman arasında P-N eklemi diye adlandırılan pozitif ve negatif yüklerin karsılaştığı bir bölge bulunur. Pilin alt(arka) yüzeyinde, elektronların giriş yaptığı ve pozitif kontak görevi gören arka kontak bulunur[3].
Şekil 5-1: Fotovoltaik pilin yapısı(7)
Güneş pillerinin çalışma ilkesi
Güneş pili teknolojisinin hammaddesi olan Silisyum, yeryüzü kabuğunun %25’ini oluşturur ve doğada deniz kumu (SiO2) olarak yer alır. Yarı iletken özeliği taşıdığından Diyot, Transistör ve Entegre üretiminin dolayısıyla bilgisayar sistemlerin temel maddesidir. Bu nedenle Silisyum, cep telefonu ve bilgisayarların insan yaşamının bir parçası haline gelmesinin de yegane nesnesi olmuştur. (1970'li yıllardaki üniversite eğitimimiz sırasında 'Microelectronic' adı altında iki dönem aldığımız derslerde aynı konuları güneş pili (solar cell) olaraka değil, yarı iletken teknolojisinin alt sistemi olarak öğrenmiştik bunları.)
Bir güneş modülünün en küçük birimi olan ‘hücre’nin gün ışığı temasıyla elektrik enerjisi üretmeye başlaması, Silisyum elementinin özelikleri ve atomik davranışları sayesinde olmaktadır. Oluşumu anlayabilmek için Silisyum atomuna bir göz atmak gerekir. Her atomun olduğu gibi Silisyum atomunun merkezinide çekirdek oluşturur. Çekirdeğin içinde eşit sayıda Proton ve Nötron bulunmaktadır. Protonlar atomun pozitif elektrik yükünü, nötronlar ise atomun kütlesini oluştururlar. Çekirdeğin dışında çeşitli yörüngelerde dolaşan ve atomun negatif elektrik yükünü oluşturan elektronlar vardır.
Evrende her şey dengededir. Atomun da dengede olması için Elektronların sayısı Protonların sayısına eşit olmalıdır. Aşağıdaki şekilde gösterilen Silisyum atomunun elektronları en iç yörüngede 2 adet, ortada 8 adet ve en dışta ise 4 adet olarak dizilmişlerdir. Bunların iç ve orta yörüngede olan 10 tanesi atomun çekirdeğine oldukça sıkı olarak bağlı olup, en dıştaki 4 adedinin bağları ise gevşektir. En dıştaki bu 4 adet Valans(saçak) elektronlar yarı iletken içindeki elektrik akımını sağladıkları için önemlidirler. [4]
Şekil 5-2: Silisyum elementinin atom yapısı
Si atomları bu en dış yörüngedeki Valans elektronları ortaklaşa kullanarak birbirlerine bağlanırlar ve böylece Kristal Yapı oluştururlar. Bu bağlantıya Kovalent Bağ (Covalent Bonding) adı verilmektedir. Merkezden uzak olmaları nedeniyle Protonların çekim kuvvetinden en az etkilenen bu kenar(valance) elektronlar, ısı veya radyasyon gibi daha az bir enerjiyle atomlarından kopartılabilirler.
Bir madde üzerinde elektrik akımının oluşabilmesi için üzerinde serbest elektronların bulunması gerekir. İşte, yarı iletken bir madde olan Silisyum üzerinde meydana gelen elektrik akımı, güneş enerjisiyle yüklenen
elektronlarının, Silisyum atomlarından ayrılarak serbest hale gelmesiyle oluşur.
Yarıiletken madde, Şekil 5-3’de görüldüğü üzere, iletkenlik bandıyla Valans Bandı, iletken maddede olduğu gibi ne bitişik, yalıtkan maddede olduğu gibi ne de birbirinden uzaktır. Dışarıdan küçük değerde bir enerji uygulandığında elektronların kolaylıkla iletkenlik bandına geçebileceği kadar yakınlıktadır.
Şekil 5-3: Maddelerin elektriksel özellikleri
Bir güneş pili hücresinde DC elektriğin oluşması şekil 5-1’de gösterilmektedir. Şekilde görülen elektriksel olayı kısaca anlatmak gerekirse; Güneş pili üzerine düşen Güneş ışığı Fotovoltaik hücreler tarafından absorbe ediliyor. Radyasyon etkisiyle polarize olan katkılı (üzerinde elektriksel boşluklar oluşmuş Bor katkılı P tipi silisyum maddesi ve elektronların biriktiği Fosfor katkılı N maddesi) Silisyum maddesi Fotonların enerjisini alarak serbest hale gelen Elektronlar sayesinde bir enerji kaynağına dönüşüyor. P tipi maddeden ayrılarak N maddesinde birikmiş elektronlar, dış devre yoluyla, P madde üzerinde oluşmuş olan Hollere tekrar dönüyorlar. Bu sabit ve tek yönlü akışla DC (direck current) akım yaratılıyor.
Elektronların sadece bir yönde akışına izin veren sabit eklem direnci nedeniyle P-N eklemi üzerinde oluşan gerilim de sabit ve 0,6 V’tur. İç devrede geri dönüş yapamayan elektronlar dış devre yoluyla N maddeden P maddeye doğru geçerlerken, devre üzerinde bir batarya varsa elektronlarla taşınan enerji bu bataryaya depolanır. Eğer devreye bir ampul bağlanmışsa, elektronların enerjisi bu kez yük üzerinde ısı veya ışığa dönüşerek harcanır.
Bir Fotovoltaik modülü incelediğimizde devre levhaları (solar hücreler) birbirine seri veya paralel olarak bağlıdırlar. En yaygın modüller genelde 36 solar hücreden oluşurlar ve çıkış gerilimleri 36 × ~0,6 V = ~21,6 V. Uoc (açık gerilim) değerindedir.
Güneş pillerinde güç teorisi
Her PV modülün etiketinde veya katalogunda Standard Test Şartlarında (STC-Standard Test Conditions) ürettiği maksimum güç değeri yazar. Bunun anlamı, yani Standard Test Şartları (STC) 1000 W/m2 güneş enerjisinin 25 derece C’lık sıcaklıktaki hava kütlesinin taşıdığı şartlardır. Sıcaklık ve hava kütlesi (Air Mass) değiştikçe üretilen güç de değişir.
Bir PV modülün dikkate alınması gerekli en önemli parametreleri, ürettiği akım (A) ve oluşturduğu gerilim (V) değerleridir.Üretilen akım PV modülün üzerine düşen ışık şiddeti ve yüzey alan ile değişir.
Aşağıdaki şekilde bir PV modülün Akım – Gerilim (I V) eğrisi görülmektedir.
Şekil 5-5
Güneş pillerinde tepe gücü (Peak Power-Wp)
Bir PV hücresinden alınacak güç, üzerine düşen ışık enerjisi (solar radyasyon) ile doğru orantılıdır. Yani ışık şiddeti arttıkça güç (power) de artar. Bir hücrenin veya modülün üretebileceği maksimum güç tepe gücü (peak power) olarak anılır. Birimi Wp watt-peak’dir.
Bir PV modülü kısa devre edildiği zaman maksimum akım üretir . Buna kısa devre akımı (Isc) denir. PV modül açık-devre iken uçlarında ölçülen gerilim değerine ise açık devre gerilimi (Voc) denir. Güneş ışını sabit tutularak yapılan ölçümlerde elde edilen akımın değerinin çalışma gerilimi ile değiştiği gözlenir.
Aşağıdaki şekilde Kristal bir hücrenin IV eğrisi görülmektedir. MPP (Maximum Pover Point) noktası eğri üzerinde işaretlenmiştir. Bu nokta bir PV hücresinden maksimum gücün alındığı noktadır ve buradaki akım değeri Impp ve gerilim değeri ise Vmpp olarak adlandırılır.
Şekil 5-6
PV’lerin elektrik üretiminde etkili olan temel parametreler
i- Güneşlenme süresi: Kurulu gücümüz ne denli büyük olsa da, elde edilecek enerji önemli ölçüde panellerin güneşlenme süresine bağlıdır. Çünkü sistemin yakıtı güneş ışınlarıdır.
ii - Güneşin geliş açısı:
Şekil-7'de de gösterildiği gibi sağlanan elektrik enerjisinin büyüklüğü, panel düzlemiyle ışın doğrultusu arasındaki açının Sinüs (Sinα) değeriyle değiştiği görülür. Sağlanan gücün panel gücü Wp’ye yaklaştığı ya da eşitlendiği durumlar, α açısının 90 derece olduğu anlardır. Bu açı 90 dereceden saptığı oranda sağlanan güç, dolayısıyla aktarılan enerji;
P=Panel(Wp)*Sinα (α=90’de P=Wp, α=30’da ise P=½Wp olur) [5-1]
bağıntısına bağlı olarak küçülür.
iii- Işının yoğunluğu (yansıtılmış ışınların eklenmesi)
Bir güneş paneli sadece doğrudan gelen ışınları değil, etraftan yansıyan ışınları da değerlendirir. Eğer sabit konumlu bir panele hareketli bir ayna ile güneş ışını yansıtılacak olursa, yansıtılan ışının geliş açısının Sinüs çarpanı kadar panel verimi artırılmış olur.
iv- Işınların içinden geçtiği atmosferin uzunluğu ve içerdiği gazların özellikleri
Güneş ışınlarının Radyasyon değerleri, güneşin yol aldığı atmosfer kalınlığı ile orantılı olarak değişir. Öğle saatlerindeki 600-700 km’lik atmosfer yolu, sabah saatlerinde 3-4 katına (2500-3000 km.) kadar olmaktadır. Dolayısıyla, biz, güneş panelinin güneşle olan açısını sürekli dik tutsak da, buhar ve gazlarla dolu uzun atmosfer yolu nedeniyle sabah ve akşam saatlerinde panel kazancı önemli ölçüde azalacaktır.
v- Pil ve panel yapımında kullanılan malzemelerin cinsi ve niteliği.
Pilin yapısını oluşturan Silikon maddenin Tek Kristalli ya da Çok Kristalli olmasına göre veya pilin Silisyum veya Arsenik bazlı olmasına göre de pil verimi değişmektedir.
vi- En uygun verimlilik sıcaklığı
Sıcaklığın PV performansına etkisi
Silikon hücrelerde performans artan sıcaklıkla düşüş gösterir. Mono ve Poly kristal silikon hücrelerde bu düşüş ince tabaka (thin film) hücrelerine göre daha belirgindir. Bu nedenle kristal silikon hücreli modüllerin serin tutulması için çaba harcanmalı. Çok sıcak şartlarda ince tabaka –amorphous silicon hücreler tercih edilmeli.
Aşağıda, sıcaklığın kristal silikon PV modüllerin I-V eğrisine olan etkisi görülmektedir. Her 1 derece C sıcaklık artışı, elde edilen gücü % 0.5 oranında azaltmaktadır. Amorphous silicon hücrelerde ise 1 derecelik artış, gücü %0.2 oranında azaltmaktadır.[5]
Bir PV modülün bu türden verileri teknik özellikler katalogunda yer alır.
Şekil 5-7: Açısal konumunun panel verimine etkisi[6]
Güneş pillerinin çeşitleri
Güneş pillerinin üretiminde hammadde olarak yarı iletken madde olan ve dünyada çok bulunan Silisyum (deniz kumu) kullanılır. Ancak, tüm elektronik malzemelerin temel maddesi olan saf silisyumun-SiO2, ileri teknoloji gerektirdiğinden dünyada çok az sayıda şirket tarafından üretilebilmektedir. Güneş pilleri üretim şekillerine göre çeşitlere ayrılırlar. Çeşitli ülkelerdeki 100’den fazla üretici firma tarafından 1000’e yakın değişik tipte PV hücreler üretilmektedir. Ancak üretimi ve kullanımı en yaygın olan güneş hücresi çeşitlerini aşağıdaki şekilde gösterebiliriz.
Kaynaklar:
[1] Dr. Umut Gürsoy: Dikensiz Gül – Temiz Enerji
[2] www.robotiksistem.com
[3]İlknur Kılınçdemir, Cumali Acar-YTÜ/Güneş İzleme Sistemleri
[4] www.gunes-pili.com
[5] www.ktemb.com/tr
[6] Celal Cezim -çalışma notları(2009)
