Güneş Pili Nedir

Güneş pili

Güneş pili nedir?

Güneş hücresi (İngilizce: solar cell) ışığı doğrudan elektrik akımına dönüştüren (fotovoltaik) bir araçtır. Yarı iletken bir diyot olarak çalışan güneş hücresi, güneş ışığının taşıdığı enerjiyi iç fotoelektrik reaksiyondan yararlanarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür.

Güneş enerjisi kullanmanın önemi, her yıl daha artmaktadır. Günümüzde bu konuda, yapılan çalışmalar, inorganik ve organik bazlı olmak üzere ikiye ayrılmıştır. Silikon içerikli olan güneş pilleri inorganik, organik kaynaklı güneş pillerine ise organik güneş pilleri denir. Organik güneş pilleri üzerinde çalışmalar yapılmasının nedeni, maliyetinin ucuz ve uygulamalarının  kolay olmasıdır. Bu iki özelliğe karşın günümüzde organik güneş pillerinde, uygulamaya geçilememiştir. Nedeni ise hava ile kolay bir şekilde oksitlenmesi ve güneş ışığını enerjiye dönüştürme yüzdesinin (~%11), silikon bazlı güneş pillerine oranla daha düşük olmasıdır.

Güneş Pillerinin Çalışması

Güneş pili, güneşten enerjisini elektrik enerjisine çeviren pillerdir. Düşük ve yüksek voltajlı birçok uygulama için farklı güneş pilleri elektrik gereksinimi bulunan her alanda kullanılma özelliği vardır. Güneş ışığındaki  fotonlar, elektronları yarı iletken metalik bir yonga plakasının bir katmanından bir diğer katmanına hareket ettiren enerjiyi sağlar. Elektronların bu hareketi bir akım yaratır.

İki tür güneş hücresi kullanılır;

• Silikon
• Galyum arsenit.

Uydular galyum arsenit, yerküredeki uygulamalarda silikonlar kullanılır. Güneş pili hücrelerinin üst tabakaları çatlamaların, kırılmaların ve enerji kaybının önlenmesi amacı ile yansımayı önleyen kaplama ve korumalardan oluşur. Güneş hücreleri son derece kırılgan olduklarından böyle bir koruma çatlama ve kırılmaları önlemek açısından gereklidir. Aksi halde hücrenin çalışması zarara uğrar ve bu da enerji kaybına sebep olur. Işık bu katmanlara ulaştığında silikon veya galyum arsenit’ e çarpar. Bu katmanların altında N ve P tipi yarı iletken maddeler mevcuttur. Güneş pilinde çok elektrona sahip P tipi yarıiletken madde ve az elektrona sahip N tipi yarıiletken madde bulunur. Güneş ışığı P tipi yarıiletken maddeden elektron koparır.

P ve N tabakaları arasındaki bölümlerin farklılıkları sebebiyle güneşten gelen enerji bunlara çarptığında elektronların P tabakasından N tabakasına akışı sağlanmış olur. P ve N tabakaları arasına tel çekilmek suretiyle güneş hücresi artı ve eksi kutuplara sahip bir pil halini alır ve böylelikle bir araca güç sağlamak için kullanılabilir. N tipi ve P tipi maddeler yarıiletken maddelerin eriyik halinde iken istenilen maddeler ile kontrollü olarak katkılandırılması sonucunda oluşurlar. Güneş pillerinde yarı iletken madde olarak çok kristalli silisyum kullanılır. Enerji kazanan elektronlar N tipi yarıiletken maddeye doğru akarlar. Bu sabit tek yönlü elektron akışı doğru akımı (DC) yaratır. Elektronlar kurulan devreler boyunca akarak pillerin şarj edilmesinde veya  değişik alanlarda kullanılır ve P tipi yarıiletken maddeye geri döner.

Depolama özellikleri olan araçlarda, silikon piller kullanılmaktadır. Tek tek sayısız hücreler “Güneş Panelini” meydana getirmek için bir araya getirilir. Kullanılan motora bağlı olarak güneş panelleri 12 ila 1000 volt arasında gerilimde ve sonsuz watta kadar güç sağlayabilirler. Güneş ışığının yoğunluğu, havanın bulutu olması ve hava sıcaklığı güneş enerji panellerinin ürettiği gücü etkiler.

Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını direk elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir. Yüzeyleri dikdörtgen, kare, daire biçiminde şekillendirilen güneş pillerinin alanları 60 cm² ile 160 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır. Güneş pilleri fotovoltaik prensibe dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğünde uçlarında elektrik gerilimi meydana gelir. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir.

Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Güç çıkışını artırmak için çok sayıda güneş enerjisi pili birbirine paralel veya seri bağlanarak bir yüzeye montajı yapılır. Bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül (güneş paneli) denir. Güç talebine göre modüller birbirlerine seri veya paralel bağlanarak birkaç Watt’tan mega Watt’lara kadar sistem meydana getirtilir.

Güneş Pillerinin Yapısı

Elektronik ürünlerde kullanılan doğrultucu diyotlar, transistörler gibi güneş pilleri de, yarı-iletken maddelerden yapılırlar. Yarı-iletken olan güneş pili yapımında en elverişli olan maddeler, silisyum, kadmiyum tellür, galyum arsenittir.

Yarı-iletken maddelerin güneş pili olarak kullanılmaları için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin yeterli miktarda eklenmesi ile yapılır. Elde edilen yarı-iletkenin n veya p tipi olması katkı maddesine bağlıdır. Yaygın olarak kullanılan güneş pili maddesi silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için silisyum eriyiğine, mesela fosfor ilave edilir. P tipi silisyum elde etmek için ise, eriyiğe (alüminyum, indiyum, bor gibi) bir element ilave edilir. Güneş pilleri, pek çok farklı maddeden faydalanarak  güneş pili firmaları tarafından, güneş pili imalatı yapılır.

Günümüzde Güneş Pili Yapımında Kullanılan Maddeler;

Kristal Silisyum:

Önce büyütülüp sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar şeklinde dilimlenen Tek kristal silisyum bloklardan imal edilen güneş pillerinde laboratuvar koşullarında %24, ticari modüllerde ise %15’in üzerinde verim sağlanmaktadır. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen çok kristal silisyum güneş pili imalatı ucuz, ancak verim düşük olmaktadır. Verim, laboratuvar koşullarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır.

Galyum Arsenit (GaAs):

Bu malzemeyle laboratuvar koşullarında %25 ve %28 (optik yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarı iletkenlerle birlikte meydana getirilen çok eklemli GaAs pillerde %30 verim sağlanmıştır. Galyum arsenit (GaAs) güneş pilleri optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde ve uzay uygulamalarında kullanılmaktadır.

İnce Film

Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çok kristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneş pili maliyetinin düşeceği sanılmaktadır. Laboratuvar tipi küçük hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir.

Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çokkristal pilde laboratuvar koşullarında %17,7 ve enerji üretimi için geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiştir.

Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araçlar ile modül verimi %17’ nin, pil verimi ise %30’un üzerine çıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden yapılır.

Güneş Pili Çeşitleri

• Monokristalin güneş pili
• Polikristalin güneş pili
• Amorf silikon güneş pilli
• CIS güneş pili.

Monokristalin Güneş Pili

Monokristalin güneş pillerinde malzemenin atomik yapısı homojendir. Monokristalin güneş pilleri verimlilik kapsama güçleri diğerlerinden yüksek olan (%20) güneş pili çeşitlerindendir.

Teknik açıdan monokristalin güneş pillerinin üretimleri zor olduğu için ve üretimleri zaman aldığı için bu tip güneş pili fiyatları da verimlilik kapasiteleri gibi diğer güneş pili çeşitlerinden yüksektir. Ancak uzun süreli kullanımlar için düşünüldüğü zaman monokristalin güneş pilleri dayanıklılık ve verim açısından daha çok tercih sebebi olacaktır.

Polikristalin Güneş Pili

Polikristalin güneş pilleri monokristalden meydana gelir ve atomik yapısı homojen değildir. Polikristalin güneş pillerinin verimlilik kapsama güçleri yaklaşık %16 dir. Polikristalin güneş pilleri, monokristalin güneş pillerine göre düşük, CIS güneş pillerine göre yüksektir.

Polikristalin güneş pillerinin maliyeti monokristalin güneş pillerinden düşük olduğu için ve verimlilik kapasitelerinin maliyeti yüksek olduğundan bu güneş pilleri en çok imal edilen güneş pilleridir.

Amorf Silikon Güneş Pili

Amorf Silisyum: Amorf silikon güneş pili kristal yapılı değildir. Amorf güneş pillerinin yapısı sebebiyle verimlilik kapsama güçleri %5 ile %8 aralığındadır. Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneş pilinin bir başka önemli uygulama alanının, binalara entegre yarı saydam cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği düşünülmektedir.

CIS Güneş Pili

CIS (Copper-Indium-Diselenid – Bakır-İndiyum-Diselenid) güneş pili daha ince tabakalı ve verimlilik kapsama güçleri %10 civarındadır. CIS güneş pillerinin ince yapılı olmasından, montajlarıda kolaydır. Bundan dolayı maliyetinin düşük, geniş yüzeylere uygulamanın kolay olması gibi avantajları vardır.