Güneş pili teknolojisinden söz edilirken, fotovoltaik etki kavramı oldukça önemli hale geliyor. En basit anlamda Fotovoltaik; güneş enerjisini elektrik akımına dönüştürme teknolojisi olarak ifade ediliyor. Silikon gibi bazı materyaller, güneş enerjisini direkt elektrik enerjisine çevirme gibi bir özelliğe sahip, işte buna da fotovoltaik etki deniyor.
Fotovoltaik güneş hücreleri, üzerine güneş ışınları düştüğünde, güneş enerjisini doğrudan DC elektrik enerjisine çeviren ve bu işlem sırasında Silikon, Galyum, Arsenit, Kadmiyum Tellurid ya da Bakır İndiyum Diselenid gibi yarı iletken malzemeleri kullanan sistemlerdir.
Güneş pillerinin bulunuşu neredeyse 19.yüzyılın başlarına kadar uzanıyor. A.Edmond Becquerel 1839 yılında platin tabakalar üzerinde yaptığı çalışmayla fotovoltaik etkiyi buluyor, 1884 yılında Charles Fritts, ilk güneş pili hücresini geliştirmesiyle güneş pili teknolojisine doğru büyük bir adım atılıyordu. 1954 yılında Bell Laboratuvarlarında, iyon yüklü silisyum ile güneş pilleri oluşturularak bugünkü güneş pili teknolojisi başlıyordu.
Güneş ışığı foton adı verilen küçük enerji paketlerinden oluşur. Dünyaya her dakika gelen fotonlar, dünyanın bir yıllık enerji tüketimine yetecek kadar enerji taşırlar. Gelen bu enerjiyi kullanarak elektrik üretme amacı ile güneş panelleri yani fotovoltaik paneller kullanılır.
Güneş panelleri, güneş hücrelerinden oluşur. Bu hücreler silikon adı verilen ve dünyada oldukça fazla bulunan elementlerden yapılır. Her bir hücre, aynen pillerde de olduğu gibi, elektrik akımı yaratmak için bir pozitif ve bir negatif katmandan oluşur.
Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak %5 ile %20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilir. Teknolojideki yeni gelişmeler ile uygun koşullarda bu oran %70’lere kadar çıkmıştır.
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.
Güneş Pillerinin Yapısı
Güneş pilleri 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.
Güneş pili hücrelerinin üst tabakaları çatlamaların, kırılmaların ve enerji kaybının önlenmesi için yansımayı önleyici kaplama ve korumalardan oluşur. Bu katmanların altında ise N tipi ve P tipi yarı iletken maddeler bulunur. N ve P tipi maddeler, yarı iletken maddelerin eriyik halindeyken istenilen maddeler ile kontrollü olarak katkılandırılması ile oluşturulurlar.
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.
Güneş pillerinde yarı iletken madde olarak çoğunlukla çok kristalli silisyum kullanılmaktadır.
Yandaki resimde güneş pillerinin yapısı ve çalışmasını şematik olarak gösterecek olursak,
1) Güneş ışığı güneş pili üzerine düşer ve fotovoltaik hücreler tarafından absorbe edilir. Güneş pilinde çok elektrona sahip P tipi yarı iletken madde ve az elektrona sahip N tipi yarı iletken madde bulunur.
2) Güneş ışığı P tipi yarı iletken maddeden elektron koparır.
3) Enerji kazanan elektronlar N tipi yarı iletken maddeye doğru akarlar.
4) Bu sabit tek yönlü elektron akışı doğru akımı (DC) yaratır. Elektronlar kurulan devreler boyunca akarak pillerin şarj edilmesinde ya da farklı alanlarda kullanılır ve P tipi yarı iletken maddeye geri döner.
Yarı-iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir.
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.
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 ve diğerindeki fazlalığı, bu bölgenin her iki tarafında bir elektrik alanının oluşmasına yol açar. Yarı iletken tarafından emilen ışık akısının fotonları, yarı iletken 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.
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.
Çağımızda enerji kaynaklarının kısıtlı olması nedeniyle, yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisi oldukça önemli hale gelmiştir.
Güneş Pili Çeşitleri
Monokristalin Güneş Pilleri
Polikristalin Güneş Pilleri
Amorf Silikon Güneş Pilleri
CIS Güneş Pilleri
Kaynaklar:
http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/gunes-pilleri-nasil-calisir/10272#ad-image-0
http://img.eba.gov.tr/342/1ca/e94/e5a/80e/6a4/296/b63/3e0/ce3/626/ef0/750/79e/001/3421cae94e5a80e6a4296b633e0ce3626ef075079e001.pdf
https://tr.wikipedia.org/wiki/G%C3%BCne%C5%9F_pili
http://www.elektrikport.com/haber-roportaj/gunes-pili-teknolojisinde-44-7-oraninda-verimlilikle-rekora-ulasildi/8952#ad-image-0
http://www.yildiz.edu.tr/~okincay/dersnotu/gunespilleri1bolum.pdf
http://www.robotiksistem.com/gunes_pilleri_nedir.html
http://www.sapa-solar.com/turkey/Fotovoltaik/
http://www.solarfield.com.tr/page/111/fotovoltaik-nedir.html
