Güneş pilleri, güneş-elektrik çevriminin kalbi olup, optiksel ve elektriksel özellikleri bu dönüşüme uygun olarak seçilen yarı iletken malzemeden yapılmış diyodlardır. Bir önceki bölümde verildiği gibi, yeryüzünde herhangi bir bölgede birim alana gelen güneş enerjisinin tutarını ve spekturum unu etkileyen değişkenler, coğrafya dan başlayıp, topografya, iklim koşulları, hava kirliliğine kadar giden geniş bir aralıkta yer alır. Ancak, birim alana gelen güneş enerjisinin hangi oranda elektrik enerjisine dönüştürülebileceğini belirleyen, güneş pillerinin verimliliğidir. Verimliliği etkileyen değişkenleri tartışmadan önce, güneş pilleri ile ilgili temel kavramların kısaca ele alınması da uygun olacaktır.
Güneş pilleri, ilke olarak, bugün hayatın her kesimine girmiş olan elektronik düzeneklerin içerisinde kullanılan ve çok küçük boyutlara sahip olan yarı-iletken diyotların, geniş yüzey alanlara uygulanmış şeklidir. Kullanılan malzeme, üretim şekilleri ve diyotların çalışma ilkeleri, temelde benzerdir. Elektronik sanayiinin gözde malzemesi silisyum kristali, bugün ticari olarak satın alınabilecek güneş pillerinin çoğunluğunun üretiminde kullanılmaktadır. Silisyum, teknolojik önemi nedeni ile en iyi bilinen yarı-iletken malzemelerden biridir. Bu noktada, yarı-iletken malzeme kavramına kısaca değinmek yararlı olacaktır.
Madde içerisinde elektriksel yük taşıyıcılarının devinimleri (hareketleri) göz önüne alınarak malzemeler, üstün iletken, iletken, yarı-iletken ve yalıtkan olarak sınıflandırılabilir. Bütün maddelerin atomlardan yapılmış olduğu gerçeğinden yola çıkarsak, malzemelerin özellikleri ve elektriği ne şekilde ilettiği, malzemeyi oluşturan atomların düzenlenişlerine sıkı-sıkı bağlıdır. Basite indirgenmiş bir anlatımla, atom, artı (+) elektrik yüküne sahip protonları ve elektrik yüküne sahip olmayan nötronları içerisinde bulunduran bir çekirdek ve onun çevresinde dolanan eksi (-) yüklü elektronlardan oluşmuş gibi düşünülebilir. Atomda, proton sayısı, elektron sayısına eşittir. Ve dışarıya karşı elektrik yükü sıfır yani yüksüzdür. Atomda, çekirdekten uzaklaştıkça elektronların çekirdekle olan bağları zayıflar. Maddenin yapısını belirleyen, çekirdekten en uzakta bulunan elektronlardır. Değerlik elektronu olarak adlandıracağımız bu elektronlar, iyi bir iletken olan metallerde, komşu atomlar arasında kolayca hareket ederler. Bulundukları enerji düzeyinden daha yüksek enerji düzeylerine çıkmadan metal içerisinde rahatça dolaşan bu elektronlara “serbest elektronlar” adı verilir. metal malzemedeki serbest elektronlar, elektrik yükünün iletilmesinde iyi birer taşıyıcı olmalarına karşın, fotovoltaik dönüşüm için uygun birer araç değildirler. Bunun temel nedeni, basit terimlerle, serbest elektronun, gelen ışığın frekansına kolayca cevap vererek ışığı geri yansıtması ve metallerde elektronları artı (+) yüklerden ayrı tutabileceğimiz bir enerji aralığının bulunmamasıdır.
Yarı iletkenlerde ve yalıtkanlarda değerlik elektronlarının bulunduğu enerji düzeyi ile bu elektronların bulunabileceği bir sonraki enerji düzeyi arasında bulunan enerji düzeyleri, elektronların bulunmasının yasak olduğu enerjilerdir. Değerlik elektronlarının bulunduğu enerji bandında “değerlik Bandı” ve yasak enerji aralığından sonra elektronların bulunabileceği ilk enerji düzeylerinden başlayan enerji bandına da “ iletkenlik bandı” adı verilir. yasak enerji aralığının büyüklüğü, maddenin yarı-iletken ya da yalıtkan olarak sınıflandırılmasının ölçüsüdür. Güneş ışınımında enerji taşıma birimleri olarak tanımladığımız fotoların enerjisi, yasak enerji aralığında eşit ya da ondan büyük ise, değerlik bandındaki bir elektrona enerjisini aktararak onu iletken bandına çıkarır. Yasak enerji aralığı 2.5eV (elektron volt) değerinden daha büyük ise madde yalıtkandır. Güneş spektrumunda (şekil 1) enerji 2.5eV (dalga boyu 0,5um) değerinden daha büyük olan bölgedeki güneş ışınlarının tutarı çok az olduğundan, bu tür malzeme de fotovoltaik çevrimde soğurucu tabaka olarak kullanılmaya uygun değildir. Şekil 2 Hava kütle 1 için güneş ışınımını soğurcu malzemenin yasak enerji aralığına bağlı olarak güneş elektrik dönüşümü için var olan potansiyeli göstermektedir.
Yürütülen tartışmanın ışığında, fotovoltaik dönüşümde güneş ışığını soğuracak malzeme, yasak enerji ağırlığı güneş spektrumu ile uyumlu ve elektrik yüklerinin biri birinden ayrılabilmesine izin verebilecek yarı-iletken malzemeden olmalıdır. Şekil 3 yasak enerji ağırlığına bağlı olarak çeşitli güneş ışınımı koşullarında elde edilebilecek en büyük verimlilik değerini özetlemektedir. Aynı şekil üzerinde çeşitli yarı-iletken malzemelerinin yasak enerji aralığı da işaretlenmiştir.
Güneş enerjisini taşıyan enerji paketleri “fotonlar” tümüyle doğru bir olmasa da, kavramların anlaşabilmesi için “ bil yalar ” gibi düşünülebilir. Güneş spektrumunun mavi yanında enerjisi yüksek fotonlar, bir benzetme ile büyük bil yalar ve kırmızı yanında düşlük enerji fotonlar yani, küçük bil yalar var diye düşünülebilir. Fotonlar, bil yaların çarpışmasına benzer olarak enerjilerini madde içerisindeki elektronla bire-bir etkileşimidir. Fotonun aktardığı enerji ile elektron, enerjisini artırarak daha yüksek enerjilere tırmanmaya çalışır. Eğer aktarılan enerji, yasak enerji aralığını aşmaya yeterli ise, elektron, içinde bulunduğu değerlik bandından ayrılarak iletkenlik bandına çıkar. Elektron, ait olduğu atomu terk etmiş olacağından, geride dengelenmemiş bir artı yük kalacaktır. Değerlik bandında kalan bu artı (+) yüke, “boşluk ya da deşik” adı verilir. sonuç olarak, değer yarı-iletken üzerine düşen fotonun enerjisi, enerji aralığına eşit ya da büyük ise, bir elektron-boşluk çifti yaratılmış olur. Yasak enerji aralığından daha küçük enerjiye sahip enerjiler elektron-deşik çifti yaratmaya yetmez ve fotovoltaik dönüşüme katkıları yoktur. Yasak enerji aralığından daha büyük enerjiye sahip fotonlar iletkenlik bandı içerisinde yüksek enerjilere tırmanırlar ancak saniyenin milyon kare milyonda birden daha kısa sürede iletkenlik bandından en küçük enerjili bölgesine geri dönerek, fazla enerjisini ısı enerjisi olarak yarı-iletkene verirler. Şekil 4 elektron-boşluk çifti yaratılmasını göstermektedir.
Güneş ışınları kullanarak, maddede yaratılacak elektron-boşluk sayısının en büyük değeri alması, güneş spektrumu ile yarı-iletkenin band aralığının uygun seçilmesi ile elde edilir. Şekil2 ve şekil 3 göz önüne alındığında, band aralığı 1.4eV ve 1.6eV arasındaki yarı-iletkenlerin fotovoltaik çevrimde en uygun malzeme olduğu açıktır. Ancak, yarı-iletkinin diğer optiksel özelliklerinin de bu seçimde büyük önemi vardır. Yarı-iletkenin soğurma katsayısı (güneş ışığının malzeme içerisinde birim uzunluk başına soğurulma miktarı) büyük ise, güneş ışınları daha küçük bir uzaklıkta soğurulacaktır. Böylece, daha az malzeme alınarak güneş elektrik dönüşümüne olanak sağlanacaktır. Şekil 5 çeşitli yarı-iletken malzemelerin soğurma katsayılarını enerjinin fonksiyonu olarak göstermektedir.
Buraya kadar olan tartışmalarımızda güneş ışığı altında band aralığı uygun seçilmiş bir yarı-iletkende elektron-boşluk çiftlerinin ortaya çıkacağını gördük. Ancak, iletkenlik bandına çıkmış elektronlar, burada saniyenin milyonda biri basamağında bir süre kalıp, değerik bandına geri dönme eğilimindedirler. Elektronların iletkenlik bandında kaldıkları süreye “ömür süresi” adı verilir. eğer iletkenlik bandına çıkmış elektronlar (eksi yükler) ömür süreleri içerisinde boşluklardan (artı yükler) bir ekti nedeni ile ayrılmazlar ise, elektriksel akıma ve sonuçta güneş-elektrik dönüşüme katkısı olmayacaktır. Olayın anlaşılabilmesi için basit bir benzetme yapmaya çalışalım. Bahçemizde çimenlerin ortasına bir havuzun olduğunu düşünün. Havuzun üzerinde, yüksekte yerleştirdiğiniz fakat tabanın bir yanında delikler bulunan bir depomuz olsun. Havuzdan depoya sürekli su pompalıyoruz, ancak su aynı deliklerden havuza geri dönüyor. Eğer depoyu, delikli bölüm yukarıya gelecek şekilde eğimlendirip alt uçtan bir boru ile suyu çimenlere yönlendirirsek, havuzdaki suyu çimenleri sulamakta kullanabiliriz. Yarı-iletkenlerde, havuzdaki suyu depoya pompalama işin, yani değerlik bandındaki elektronları iletkenlik bandına çıkarma işini fotonlar yapmaktadır. Ancak depoya eğim vermekle oluşturduğumuz yerçekimi kuvveti etkisinin yerin alarak elektronlara bir kuvvet uygulama görevini yapacak ve suyun akmasına benzer bir biçimde elektronların akmasını sağlayacak bir sisteme gereksinimi vardır. Güneş pillerinde, elektron-boşluk çiftlerinin birbirlerinden ayrılarak, akımın oluşumunu sağlayacak kuvvet, elektriksel iletkenlik karakteristiksellikleri birbirilerinden farklı olan yarı-iletkenlerin bir araya getirilmesiyle yapılan yarı-iletken diyotların ara yüzey bölgesinde oluşan elektrik alanı ile oluşur. Fotovoltaik çevrimde en çok uygulanan, p-tipi yarı iletken ile n-tipi yarı iletkenden oluşan p-n eklem diyotlarıdır. Bundan sonraki bölümlerin izlenebilmesi için yarı iletkenlerin katkılanması ve iletkenlik tipleri kısaca özetlenecektir.


Etiketler:
Beğeniler: 0
Favoriler: 0
İzlenmeler: 1656
favori
like
share