Çok Eklemli (TANDEM) Güneş Pilleri Nasıl Çalışır?

TANDEM güneş pilleri, güneşin geniş ışık spektrumundan daha fazla yararlanmak için farklı enerji aralıklarına sahip güneş pillerini art arda sıralamak esasına dayanmaktadır. Bu makalemizde bu sistem detaylı şekilde anlatılacaktır.

A- A+

11.03.2014 tarihli yazı 21690 kez okunmuştur.

TANDEM Çok Eklemli Güneş Pilleri Konsantre PV III-V Grubu PV Hücre DSSC İnce Film Güneş Pilleri Yarıiletken Güneş GaInP GaAs Ge Güneş Pili Fotovoltaik Sistemler Enerji Güneş Enerjisi Çok Eklem p-n Eklem Güneş Pilleri Fotovoltaik Hücreler

Öncelikle Diğer Güneş Pilleri Teknolojilerini İncelemek İçin İlgili Linke Tıklayınız.

Silisyum Tabanlı Geleneksel Güneş Pilleri Nasıl Çalışır?

Organik Güneş Pilleri

Boya İle Duyarlı Hale Getirilmiş Güneş Pilleri Nasıl Çalışır?

Neden Yeni Nesil Güneş Pillleri?

► Verimi arttırmak,

► Maliyeti düşürmek,

► Dayanıklılığı geliştirmek,

► Daha güvenilir ve sürdürülebilir üretim zinciri oluşturmak.

Spektral ayırım için en basit yaklaşım prizma gibi optik dağıtıcı bir eleman kullanarak farklı enerjideki fotonları farklı yerlere, uygun güneş pilleri üzerine düşecek şekilde konumlandırmaktır ve bu fotonlar yönlendirildikleri güneş pilleri tarafından soğurulmaktadır.

Genel olarak daha çok tercih edilen yaklaşım güneş pillerini ince film katmanları halinde üst üste yerleştirmektir, yani farklı yasak enerji aralıklı eklemleri bir araya getirerek çok eklemli bir güneş pili yapmaktır.

Tandem hücreler birden çok p-n eklemin bir araya getirilmesi ile oluşturulur.

Tandem içerisindeki her bir p-n eklem belirli bir dalga boyu aralığındaki ışınımı soğurup, kayıp dalga boylarını azaltarak verimin arttırılmasını sağlayacak şekilde dizayn edilir. Bu sayede tekli fotovoltaik hücreler ile ulaşılması neredeyse imkansız gibi görünen çok yüksek teorik verimler ortaya konmuş, buna bağlı olarak yüksek pratikte de yüksek verimlere ulaşılabileceği öngörülmektedir.

Fotovoltaik hücrelerde verimin optimum değeri için, fotovoltaik hücrenin, güneş spektrumunun mümkün olduğu kadar büyük bölümünü soğurması hedeflenir. Bu yüzden çok eklemli yapıyı oluşturan hücrelerin bant aralıklarının bu büyük spektrumu kapsaması istenir.

Tandem güneş pilini üç eklemli bir güneş pili olduğunu düşünürsek tam ortadaki eklem, kendinden önce bulunan eklemden soğurulmadan geçen, daha düşük enerjili fotonları soğurur. Çünkü bu yüksek yasak enerji aralığına sahip eklem yasak enerji aralığından düşük enerjili fotonlar için saydamdır.

Aynı süreç en alttaki eklem içinde geçerlidir. Ayrıca ortadaki eklem, iki yüzeyinden ışığı yansıtır ya da diğer eklemlerden yansıyan ışığı toplar. Fotonların bu geri kazanımı sayesinde verimde artış gösterir.

► Günümüzde üretilen üç eklemli yapılarda; GaInP (1.9 eV), GaAs (1.4 eV) ve Ge (0.7 eV) kullanılmaktadır.

► Tek alttaş üzerinde farklı yarıiletken katmanların direkt olarak büyütüldüğü çok eklemli güneş hücrelerinde de; optik geçirgenliğin ve maksimum akım iletkenliğinin sağlanması için bütün katmanların kristal yapılarının uyumlu olması gerekmektedir.

► Çok eklemli güneş pilinin çıkış akımı, eklemlerin ayrı ayrı ürettiği akımların küçüğü ile sınırlıdır; bu nedenle bu hücrelerdeki seri yapı, akım uyumunu kaçınılmaz kılmaktadır.

► Güneş ışınımının yoğunlaştırılması ile %43 dönüşüm verimliliğine sahip hücreler üretilebilmektedir.

Fotovoltaik piller 5 ana kategoriye ayrılır;

► c-Si güneş pilleri

► İnce film güneş pilleri

► MJ güneş pilleri

► DSSC

► Konsantre PV

MJ güneş pilleri ve diğer fotovoltaik piller arasındaki farklılıklar tabloda görülebilir.

Diğer teknolojiler ile karşılaştırıldığında;

► Silisyum tabanlı güneş pillerinde güneş %10 soğurulur %90‘ı geri yansıtılır.

► MJ güneş pillerinde ise bu oran %40’lara kadar çıkabilmektedir.

III-V Grubu PV Hücreler

1. Nano teknolojiye dayalı güneş hücreleri (Tandem, Supertandem, Intermediate Band Solar Cells vs.)

► Supertandem Cells: Teorik olarak %86,8 verime sahip olan bu hücre tipi için 1 cm²'de ulaşılmış olan değer %35,4'tür.

► Intermediate Band Solar Cells: Teoride %63,2'lik verimleri vardır ama ulaşılmış bir değer henüz yoktur.

► Hot Carrier Cells: Üretimi sorunları çözülememiş olan bu hücrede, üretilebildiği taktirde supertandem hücresine yakın bir verim elde edilecektir.

2. Kuantum kuyulu PV hücreler

► Büyük bant aralığına sahip yarıiletken malzeme içerisinde, küçük bant aralığına sahip malzemenin çok ince katmanlar halinde üretilmesi ile elde edilir.

► Küçük bant aralığına sahip malzemenin soğurma özelliği ile fotoakımın artması, çıkış gerilimininse azalmaması hedeflenir. Kuantum kuyulu güneş pillerinde (QWSC) teorik verim sınırı %44 civarındadır.

► Kuantum kuyuları, özellikle fotovoltaik (PV) cihazların performansını artırmak amacıyla, solar spektrumun iyi uyumunu elde etmek için çok katmanlı yapı içerisine (p-n eklem içerisine) yerleştirilir.

► QWSC teknolojisi yüksek dönüşüm verimliliğine sahip cihazların geliştirilmesine önemli bir adaydır.

Kuantum kuyulu (a) InGaAs/GaAs ve (b) InGaAsP PV hücrelerin yapıları;

AR-GE Aşamasında Olan Diğer PV Hücreler

► Organik PV hücreler, ardışık eklemli (tandem) PV hücreler, kuantum kuyulu PV hücreler geliştirilmekte olan yeni nesil PV hücrelerdendir.

► Araştırmaları devam eden bu teknolojide ürünler ticarileşmeye geçiş aşamasındadır.

► Organik PV hücrelerin düşük maliyetleri gelecek için umut verirken, düşük verimleri ve ömür problemlerinin çözümüne yönelik ar-ge çalışmaları devam etmektedir.

► Çok eklemli hücreler, ulaştıkları yüksek verimden dolayı ilgi odağı haline gelmektedir.

Kaynak :

► Dr. Mutlu BOZTEPE, Güneş Pilleri-I Ders Notları

► Arizona State University, Advanced Solar Cells Ders Notları

► Prof. Dr. Süleyman Özçelik, Gazi Üniversitesi Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezi, Fotovoltaik (PV) Teknolojileri Notları

► Nuh Döşoğlu, Güneş Elektriği Sistemleri, Modelleme, Kurulum ve Analiz Notları