GÜNEŞ PİLİ NEDİR ?

Güneş Pillerinin Tarihçesi

Güneş pilleri bilgisayarların işlemcilerinde kullanılan malzemeye benzeyen yarı iletkenlerden üretilirler. Güneş pilleri güneş ışınlarını arada başka bir süreç olmadan yani barajlarda veya rüzgâr türbinlerinde olduğu gibi bir jeneratör vasıtası ile elektrik üreten sistemler olmayıp doğrudan elektrik üreten sistemlerdir. Bu işlem ilerde daha ayrıntılı bir şekilde anlatılacaktır ancak kısaca fotonların güneş pilindeki malzemeye vurup malzemeye zayıf bir şekilde bağlı olan elektronları yörüngesinden kopartıp elektrik akımı meydana getirmesidir.( NREL, 2007)

Becquerel 1839 yılında elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğu gözlemleyerek Fotovoltaik olayını bulmuştur. Katı cisimlerde ise benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G.W. Adams ve R.E. Day tarafında gösterilmiştir. 1914 yılında fotovoltaik gözelerin verimliliği %1, değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik gözeler ilk kez 1954 yılında silikon kristali üzerine gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik güç sistemleri için dönüm noktası olarak kabul edilen bu tarihi takip eden yıllarda araştırmalar ve ilk tasarımlar, uzay araçlarında kullanılacak güç sistemleri için yapılmıştır. Fotovoltaik güç sistemleri 1960” ların başından beri uzay çalışmalarının güvenilir kaynağı olmayı sürdürmektedir.

Amerika’da, Avrupa’da, Japonya’da 1973 yılındaki Petrol Krizini izleyen yıllarda büyük bütçeli ve geniş kapsamlı araştırma ve geliştirme projeleri başlatılmıştır. Güneş pillerinin yeryüzünde de elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik çalışmalar 1954’ler de başlamıştır. Bir yandan uzay çalışmalarında kendini ispatlamış silikon kristaline dayalı güneş pillerinin verimliliğini artırma çabaları ve diğer yandan alternatif olmak üzere çok daha az yarı iletken malzemeye gerek duyulan ve bu neden ile daha ucuza üretilebilecek ince film güneş pilleri üzerindeki çalışmalara hız verilmiştir.

Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretmenin araştırılması ve geliştirilmesi üniversitelerin yüklendiği ve yürüttüğü bir vazife olmuştur. Ancak son yirmi yılda dünya genelinde çevre konusunda duyarlılığın artmasına bağlı olarak kamuoyundan gelen baskı, çok uluslu büyük şirketleri fosile dayalı olmayan yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda çalışmalar yapmaya zorlamışlardır. Büyük şirketlerin devreye girmesiyle fotovoltaik piller konusundaki teknolojik gelişmeler ve güç sistemlerine artan talep ve buna bağlı olarak büyüyen üretim kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir. Yakın geçmişe kadar alışıla gelmiş elektrik enerjisi üretim yöntemleri ile

karşılaşıldığında çok pahalı olarak değerlendirilen fotovoltaik güç sistemleri, artık yakın gelecekte güç üretimine katkı sağlayabilecek sistemler olarak değerlendirilmektedir. Özellikle elektrik enerjisi üretiminde hesaba katılmayan ve görünmeyen maliyet olarak değerlendirilebilecek “sosyal maliyet” göz önüne alındığında, fotovoltaik sistemler fosile dayalı sistemlerden daha ekonomik olarak değerlendirilebilir.



GÜNEŞ PİLLERİ NASIL ÇALIŞIR

Yarı iletken bir diyot olarak çalışan bir güneş hücresi, güneş ışığının taşıdığı enerjiyi iç fotoelektrik reaksiyondan faydalanarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür.

19.yüzyılın başlarında güneş pillerinin buluşunu yaklaştıran ilk gelişmeler sağlandı. A.Edmond Becquerel 1839 yılında platin tabakalar üzerinde yaptığı çalışmayla fotovoltaik etkiyi buldu. 1884 yılında Charles Fritts ilk güneş pili hücresini geliştirmesiyle güneş pili teknolojisine doğru büyük bir adım atılmış oldu. 1954 yılında ise Bell Laboratuvarlarındaki bilim adamları tarafından iyon yüklü silisyum (diğer bilinen adıyla silikon) ile güneş pilleri oluşturularak bugünkü güneş pili teknolojisini belirlediler.

Güneş ışığı foton adı verilen küçük enerji paketlerinden oluşur. Her dakika güneşten gelen fotonlar dünyanın bir yıllık enerji tüketimine yetecek kadar enerjiyi dünyamıza ulaştırırlar. Güneşten gelen bu enerjiyi kullanarak elektrik üretme amacı ile güneş panelleri, başka bir deyişle fotovoltaik paneller kullanılır.

Yüzeyleri kare,dikdörtgen veya daire şeklinde olup alanları 60-160  civarında, kalınlıkları 0,2 veya 0,4 mm aralığındadır. Güneş panelleri yani fotovoltaik paneller, birçok solar hücreden oluşur. Bu hücreler silikon adı verilen ve dünyamızda çokça bulunan elementlerden yapılır. Her bir hücre, aynen pillerde de olduğu gibi, elektrik akımı yaratmak için bir pozitif ve bir negatif katmandan oluşur.

Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül denir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak birkaç Watt’tan Megawatt’lara kadar güç üretmek için sistem oluşturulur.

Güneş Pillerinin Yapısı

Günümüzde yarı iletken elemanlar gittikçe önem kazanmaktadır. Diyotlar, transistörler, tristörler, doğrultucu diyotlar gibi güneş pilleri de yarı iletken maddelerden yapılmıştır.

Güneş pillerinin yapıları basitçe bir p ve n eklemden oluşan diyotlara benzer. Fotoelektrik olay prensibine dayanarak pilden fotonlar tarafından kopartılan elektronlar eklemde harekete geçer ve bir elektrik akımı oluşturur. Bu akım doğru akımdır. Şimdi bu dediklerimizi daha detaylı bir şekilde anlatalım.

Yarı-iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar,  silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir. Yarı iletken malzemelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n yada p tipi katkılanmaları gerekir. 

Katkılanma saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır. Örneğin silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için eriyiğine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element eklenir. Periyodik cetvelin 5. grubundan bir elemente örnek olarak fosforu verelim.

Silisyumun dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğundan fosfor bir fazla elektronunu kristal yapıya verir. Bu nedenle 5. grup elementlerine verici ya da n tipi katkı maddesi denir.

Silisyumdan p tipi silisyum elde etmek için ise eriyiğine periyodik cetvelin 3. grup elementi eklenir. Bu eklenen elementin son yörüngesinde 3 elektron vardır. Bu nedenle kristal yapıda bir adet elektron eksikliği oluşur. Bu elektron yokluğuna hol ya da boşluk denir. Bu nedenle de p tipi maddelere de alıcı adı verilir.

  

Yarı iletken eklemler oluşturulduktan sonra güneş ışınlarından gelen fotonlar, sayesinde n tipinden kopan elektronlar p tipine doğru hareket eder. Bu olay her iki tarafta yük dengesi oluşuncaya kadar devam eder.

Bunların elektron azlığı (hol veya delik) ve diğerindeki (- yük sağlayan) fazlalığı, bu bölgenin her iki tarafında bir elektrik alanının oluşmasına yol açar. Yarıiletken tarafından emilen ışık akısının fotonları, yarıiletken parçanın iki tarafında ayrı ayrı toplanan elektron-hol çiftlerini oluşturur. Bunun sonucunda, eklemin aydınlanan yüzüyle ve buraya düşen ışığın yoğunluğuyla orantılı bir elektrik akımı meydana gelir. 

PN tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, P bölgesi tarafında negatif, N bölgesi tarafında pozitif yük birikir.

Hücrelerin üst tabakaları yansımayı önleyici kaplama ve korumalardan oluşur. Güneş hücreleri son derece kırılgan olduğu için böyle bir koruma, çatlama ve kırılmaları önlemek açısından gereklidir. Yansıma önleyici anti reflektif kaplamanın koyulmasının sebebi de güneşten gelen ışığın yansıtmadan soğurulmasını sağlamaktır. Böylece güneş ışınlarından elde edilen verim daha da artar.