Güneş Pilleri Nasıl Çalışır?

Artık günümüzde çeşitli yerlerde elektrik üretimi güneş enerjisinden elde edilmeye başlandı. Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde ediyoruz. Peki nasıl oluyor da güneş ışınlarından elektrik elde ediliyor? Güneş pilleri ya da diğer bir deyişle Fotovoltaik piller güneş ışığından elektriği nasıl üretiyor? Elde edilen elektrik alternatif ya da doğru gerilim mi? Güneş pilleri ile merak ettikleriniz yazımızın devamında.

A- A+

10.12.2013 tarihli yazı 101500 kez okunmuştur.

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.

► İlginizi Çekebilir: Silisyum Tabanlı Geleneksel Güneş Pilleri Nasıl Çalışır?

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.

► İlginizi Çekebilir: Güneş Pili Verimliliğinde Dünya Rekoru

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.

► İlginizi Çekebilir: Organik Güneş Pilleri

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.

► İlginizi Çekebilir: Güneş Enerjisi Elektrik Üretim Sisteminin Tasarlanması ve Maliyet Hesabı

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.

Bir güneş pilinin nasıl çalıştığını daha iyi anlamak için anismasyon şeklinde anlatılmış aşağıdaki videoyu izleyebilirsiniz.