Güneş (Fotovoltaik) Pili Nedir ve Nasıl Çalışır?

Güneş Pili - Solar Pil Nedir?

Güneş piller diğer adıyla fotovoltaik piller, yüzeylerine gelen güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire biçiminde olup alanları 100 cm2 civarında, kalınlıkları ise 0,2 – 0,4 mm arasındadır. Güneş pilinin yapısına bağlı olarak, güneş enerjisi %5 – %20 verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.

Güneş pilleri; diyotlar, transistörler ve tristörler olmak üzere 3 ana etken maddeden üretilmiştir. Güneş pili yapımı için en çok silisyum / silicon (1.1eV),  galyum arsenit (GaAs – 1.43eV), kadmiyum tellür (CdTe) gibi anorganik yarı iletken kullanılmaktadır. Fotovoltaik pillerin yapısı basit olarak bir P ve N eklemden oluşan diyotlara benzer. Yarı-iletken malzemelerin güneş pili olarak kullanılabilmesi için N veya P tipi katkılanmaları gerekmektedir. Katkılanma işlemi; istenilen katkı maddelerinin saf yarı-iletken eriyik içerisine kontrollü olarak eklenmesiyle yapılmaktadır. Elde edilen yarı-iletkenin N veya P tipi olması katkı maddesine bağlıdır.

Güneş Pilinin Yapısı - Yapımı

Foton akımlarının toplanması için jonksiyonun her iki tarafına metal kontaklar yerleştirilir.  güneş pili hücrelerinin en üst tabakası, yansıtmayı minimum seviyede tutacak ve mümkün olduğunca çok miktarda ışığı absorbe edecek anti yansıtıcı koruyucu bir tabaka ile kaplanmıştır. Mekanik koruma için en dış yüzey koruyucu bir cam ile kaplı olup, bu cam saydam bir yapıştırıcı ile sisteme tutturulmuştur. Işığın yansımasını/kırılmasını önleyen koruyucu tabakanın altında, N ve P tipi yarı iletken maddeler bulunmaktadır.

Güneş pili yapımında en yaygın kullanılan yarı iletken olan silisyum ile N tipi silisyum elde edilmesi için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5.grubunda bulunan bir element (fosfor vb) eklenir. Silisyumun dış yörüngesinde 4 ve fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğu için fosforda fazla olan tek elektron, kristal yapıya bir elektron verir. Bu nedenle 5. grup elementlerine “verici” veya “N tipi” katkı maddeleri denir.

P tipi silisyum elde edilmesi için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 3. grubunda bulunan elementlerden birisi (alüminyum, indiyum, galyum, bor vb) eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur. Eskik olan elektron yokluğuna “hol” veya “boşluk” denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılmaktadır. Bu tür maddelere “P tipi” veya “alıcı” katkı maddeleri denir. P tipi yarı iletken madde, N tipi maddeye göre elektron bakımından daha zengindir.

Gerekli katkı maddelerinin P veya N tipi ana malzeme içerisine eklenmesi ile yarı-iletken eklemler meydana gelmektedir. N ve P tipi maddelerin arasındaki bağlantı sonucu oluşan voltaj beslemesi ile PN eklemi meydana gelmektedir. P bölgesinde negatif yük, N bölgesinde ise pozitif yük birikmektedir. PN eklemi oluştuğunda; çoğunluk taşıyıcısı olan N tipindeki elektronlar P tipi elekronlara doğru akım oluştururlar. Bu olay, her iki tarafta yük dengesi oluşuncaya kadar devam etmektedir.

P tipi silisyum elde edilmesi için eriyiğe 3. gruptan bir element (alüminyum, indiyum, bor vb) eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur. Eskik olan elektron yokluğuna “hol” veya “boşluk” denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılmaktadır. Bu tür maddelere “P tipi” veya “alıcı” katkı maddeleri denir.

Gerekli katkı maddelerinin P veya N tipi ana malzeme içerisine eklenmesi ile yarı-iletken eklemler meydana gelmektedir. PN eklemi oluştuğunda; çoğunluk taşıyıcısı olan N tipindeki elektronlar P tipi elektronlara doğru akım oluştururlar. Bu olay, her iki tarafta yük dengesi oluşuncaya kadar devam etmektedir

Güneş Pili Nasıl Çalışır?

Yarı-iletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde, 2 aşamalı fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekmektedir. İlk aşamada eklem bölgesine ışık düşürülerek elektron-hol çiftleri oluşturulur. İkinci aşamada ise oluşan elektron-hol çiftleri, bölgedeki elektrik alan yardımıyla birbirlerinden ayrılır. Birbirlerinden ayrılan elektron-hol çiftleri güneş pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluşturmaktadır.

Fotoelektrik olay prensibine dayanarak; güneş enerjisi PN eklemine geldiğinde fotonlarda bulunan elektron yükü PN maddeleri arasında 0,15 – 0,5 Volt civarında bir potansiyel fark yani gerilim oluşturur.

Güneş ışığının yapısında bulunan fotonlar güneş pilinin yüzeyi tarafından absorbe edildiğinde; elektronların eklemin pozitif tarafına, boşlukların ise eklemin negatif tarafına doğru hareket etmesi sonucunda elektrik akımı oluşmaktadır. Güneş hücresi üzerine düşen ışınımlar artıkça, güneş pilinin ürettiği elektrik akımı da artmaktadır. Güneş hücresinin gövdesi yarı iletken maddeden yapıldığı için diyotla modellenmiştir. Jonksiyonda üretilen enerjinin kutuplara iletilmesi sırasında oluşan kayıplar seri direnç ile gösterilir. Bu seri direnç hücre verimliliğiini doğrudan etkilemektedir.

Jonksiyon: P ve N tipi katk maddelerinin yan yana getirilmesi sonucu arada oluşan tampon bölge olup N ve P tipi bölgeleri ayıran yüzeydir.

Tipik olarak bir PV hücre 25 – 30 cm2 lik kare bir alana sahip olup yaklaşık 1 W’lık güç üretmektedir. Güç çıkışının artırılması için çok sayıda fotovoltaik hücrenin seri veya paralel bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilmesiyle oluşan yapıya “güneş pili modülü”, “güneş modülü”, “güneş paneli” veya “fotovoltaik modül” denir.

Fotovoltaik sistemlerde gerilimin arttırılması için güneş hücreleri seri bağlanırken, modül tarafından sağlanacak akım miktarının arttırılması için modüller paralel bağlanmaktadır. Talep edilen güce bağlı olarak güneş modüllerinin seri ve paralel bağlanması ile istenilen güç seviyesinde enerji üreten sistemler oluşturulabilir.

Güneş pillerinin verimliliği ve montajı, güneş panelinin performansını belirlemektedir. Hatalara karşı korunmak için kullanılan bypass diyotları, güneş hücresindeki akımı bypass etmek için anti paralel olarak bağlanmaktadır.

Güneş Paneli Hücrelerinin Kullanım Alanları

  • Saatler
  • Hesap makineleri
  • Cep telefonu şarjı
  • Trafik işaret lambaları
  • Sokak ve bahçe aydınlatmaları
  • Giysi ve çanta
  • Yemek pişirme
  • Güneş kuleleri
  • Yapay uydular
  • Uçaklar

Solar Pillerin Elektrik Üretiminde Etkili Olan Faktörler

  • Güneş ışıma faktörü
  • Sıcaklık ve nem
  • Rüzgar yönü ve hızı
  • Sistem kayıpları
  • Hava kirliliği, güneş panelinin yüzey temizliği
  • Güneş paneli yapısı ve PV verimlilik oranı

Share:

error: Korumalı İçerik !!