Silisyum Tabanlı Geleneksel Güneş Pilleri Nasıl Çalışır?

1839 yılında Alexandre Edmond Bequerel’in ışıktan elektrik üretmesiyle başlayan serüven, 1883’ te Charles Fritts’in ilk Altın-Selenyum Kontağı ile yaklaşık %1 verimde elektrik elde etmesiyle devam etti. 1946 Russel Ohl ilk modern güneş pili patentini alan kişi oldu. Bunun sonrasında 1954 yılında Bell Laboratuvarında yapılan geliştirmeler ile %4 verime ulaşabilen ilk Silisyum tabanlı güneş pili üretildi. Bu makalemizde güneş pillerinin atası sayılan p-n eklem diyot güneş gözelerini inceleyeceğiz.

A- A+

09.08.2013 tarihli yazı 32075 kez okunmuştur.

Bell Laboratuvarındaki deneylerden sonra ticari olarak üretimine başlanan güneş pilleri 1958 yılında Peter Iles’in %6 verimde ilk defa uyduda kullanılmak için yeni bir geliştirmede bulundu. 1970 yılında ise, Zhores Alferov GaAs Hetero-Eklem güneş pilini keşfederek ışıktan elektrik enerjisi üretilmesinde büyük bir çığır açtı.

Neden Güneş Pilleri?

1973-1974 petrol krizinin sonucunda büyük devletlerin alternatif enerji kaynaklarına yönelmesi başlangıçta güneş pillerine olan rağbeti büyük bir hızda arttırdı. Bu dönemde büyük petrol şirketleri güneş enerjisi üzerine AR-GE çalışmaları ve üretimi yapmaya başladı. Diğer bir neden ise son yıllarda çok yüksek oranlarda artan petrol fiyatları, insanları güneş pillerine yöneltti.

Yakın Tarihte En Fazla % Kaç Verim Elde Edildi?

♦ 1988: Applied Solar Energy Corp.

GaAs seri üretim (%17 verim)

♦ 1989: Applied Solar Energy Corp.

Ge taban üzerinde GaAs (%19 verim)

♦ 1993: Applied Solar Energy Corp.
♦ İki-eklemli pil seri üretim (%20 verim)
♦ 2000 Üç-eklemli pil (%24 verim)
♦ 2002 Üç-eklemli pil (%26 verim)
♦ 2005 Üç-eklemli pil (%30 verim)

► İlginizi Çekebilir : Karapınar Güneş Enerjisi Merkezi Oluyor

Geleneksel Silisyum Tabanlı (p-n eklem diyot) Güneş Pilleri Nasıl Çalışır?

Öncelikle güneş hücresi üzerine düşen foton demeti elektronlar tarafından emilir. Yarıiletken yapıya giren bu foton demetindeki bir fotonun enerjisi yeteri kadar yüksek ise, bir valans elektronunun bağını koparabilir. Değerlik bandından sökülen elektron arkasında bir boşluk bırakarak iletkenlik bandına geçer.

► Absorblanan foton elektron-hol çifti oluşturur.

► Oluşan elektron devreye, hol ise rekombinasyon için P tipi ekleme doğru ilerler.

► Elektron ve hol çifti tekrar birleşerek devre tamamlanır.

► İlginizi Çekebilir : Kampüste Güneş Enerjisi

Silisyum Tabanlı Güneş Pillerinin Yapısı

► Güneş Pilinin foton ile ilk temas eden yüzeyinin resimde gösterildiği gibi zig-zag şeklinde olmasının nedeni, güneşten gelen fotonun yansımasını önlemesidir. Bunun daha detaylı gösterimini aşağıdaki şekilde görebilirsiniz.

► Güneş pillerinde kullanılan silikon, sıcaklıkla verimliliği düştüğü için bunun yerine yüksek sıcaklıklarda verimliliği daha iyi olan bileşik yarıiletkenler kullanılmaktadır.

► Örneğin, GaAs-GaAlAs hetero yapılı güneş pilleri yüksek verimliliğe ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilme özelliğine sahiptir.

P-N Eklem Tabanlı Güneş Hücreleri Üretimi

♦ Kristal büyütme fırını

♦ Kristal kesici
♦ Plazma aşındırma sistemi
♦ Difüzyon Fırını
♦ Güneş hücresi test cihazı

P-N Eklem Tabanlı Güneş Hücreleri Tasarımı

P-N Eklem Tabanlı Güneş Hücreleri Basit Eşdeğer Devresi

► Isc, kısa devre akımı; ID diyot akımı; Rp kaçak direnci

P-N Eklem Tabanlı Güneş Hücreleri Avantajları;

♦ Güneş ışığını enerjiye dönüştürme yüzdesi organik güneş piline göre daha fazladır.
♦ Üretici firmaların tercih ettiği seçenektir, pazar payının %93'nü oluşturulurlar.
♦ Wafer denen ince silikon dilimlerin kalınlıkları 0,17 mm'ye kadar düşülürmüştür.
♦ Maliyetini geri ödeme süresi 2-6 yıl arasıdır.
♦ 20 ile 25 yıllık garanti ömürleri vardır.

P-N Eklem Tabanlı Güneş Hücreleri Dezavantajları;

♦ Uygulanması organik güneş pillerine oranla daha zordur.

♦ Çok uzun ve çok kısa dalga boylu ışınım enerjisinin büyük bir kısmı değerlendirilememektedir. Kullanılmayan enerjinin bir kısmı hücre tarafından soğrularak ısıya dönüştürülür. Bu da hücrenin az da olsa ısınmasına yol açar.

♦ Silisyum hücrelerde alanın büyüklüğü kristalin boyutları ile sınırlıdır oysa ince-film yarı-iletken istenen biçimde birçok farklı malzeme üzerinde ve geniş yüzeylere kaplanabilir.
♦ p-n eklemli güneş pillerinde maliyet fazladır.

► Sonuç Olarak İse;

Güneş pillerinde kullanılan malzemenin ve işçiliğin azaltılması, teknolojinin basitleştirilerek maliyetlerinin düşürülmesi yönünde yapılan araştırma ve geliştirme çalışmaları, ince film güneş pilleri, tandem güneş pilleri gibi yeni teknolojileri ortaya çıkmıştır. Ancak p-n eklem tabanlı güneş hücrelerinin alışılagelen teknolojisi ve kullanım yaygınlığı üretici firmaların bu teknolojiyi de hemen bırakamayacağının bir göstergesi olmuştur.