Yazı İçeriği
Güneş pili güneş ışınlarını doğrudan elektriğe dönüştürebilen elektronik sistemlerdir. Ancak güneş pili tanımını iyi anlamak için çalışma prensibini de bilmeniz gerekir. Hücre verimlilikleri ve kullanım koşulları birbirlerinden farklılık göstermektedir. Çok sayıda güneş hücresi çeşidi vardır. Bu hücre tipleri yapılarında bulunan yarı iletken malzemelere ve katkı maddelerine göre sınıflandırılmıştır. Bu yazımızda piyasada ve laboratuvar koşullarında kullanılan güneş pili veya fotovoltaik panellerin çeşitleri hakkında bilgi vereceğim.
Organik Güneş Pilleri
Polimer esaslı güneş pilleri düşük maliyetli, daha az toksik olan üretim metotları sunmakta ve geniş alanlı, hafif, esnek panellerin üretimine olanak sağlamaktadır. Bu pillerin çalışma sistemleri ve detaylı bilgiye buraya tıklayarak ulaşabilirsiniz.
İnorganik Güneş Pilleri
Tek katmanlı inorganik güneş pili, elektronlardan birisi yarı iletken olan ve farklı elektrokimyasal potansiyele sahip iki metal elektrot arasına yerleştirilen silikon gibi inorganik yarı iletkenden oluşur. Tek katmanlı olan inorganik güneş pillerinin verimleri oldukça düşüktür.
İki Katmanlı İnorganik Güneş Pilleri
İki katmanlı inorganik güneş pili n-tip ve p-tip olmak üzere 2 yarı iletken kullanılarak yapılır. Birçok farklı malzemelerin birleşmesiyle yapılan bu iki katmanlı güneş pillerinde yalnızca ara yüzeyden 10-20 nm uzaklıkta oluşan eksitonlar heteroeklem ara yüzeyine ulaşabilmektedir. Bu hücrelerde yük ayrımı, n-tip ve p-tip yarı iletkenleri arasındaki sınıra yakın bölgede gerçekleşir. Donör-akseptör ara yüzeyine uzak olan yerlerde ise yük ayrımı olmayıp elektron-boşluk çifti tekrar birleşmektedirler. Bu bölgede absorbe edilen fotonların miktarı fotovoltaik verimi sınırlandırmaktadır. İnorganik hücreler kimyasal ve ısı bakımından oldukça kararlı güneş hücreleridir. Günümüzde bu solar piller %30’a kadar verim sağlayabilmektedir.
Selenyum Güneş Pilleri
Selenyum güneş pili saf selenyum, alkali metallerle veya klor, iyot gibi halojenlerle karıştırılıp P tipi yarı iletken oluşturulur. Bunun üzerine iyi iletken ve yarı iletken bir gümüş tabaka birkaç mikron kalınlığında kaplanarak P-N kavşağı oluşturulur. Bu pillerin 50ºC’nin üzerinde kullanılmamaları tavsiye olunur.
Kristal Silisyum Hücreler
Silisyum yarı iletken özellikleri tipik olarak gösteren ve güneş pili yapımında ve uzay araştırmalarında en çok kullanılan türdendir. Fotovoltaik özellikleri daha üstün olan başka maddeler de olmakla birlikte, silisyum hem teknolojisinin üstünlüğü nedeniyle hem de ekonomik nedenlerle tercih edilmektedir. Silisyum pilleri germanyumla yapılan pillere göre, daha büyük açık devre direnci sağlar. Buna karşı silisyumlu pillerin spektral cevabı daha azdır ve kızılötesi ışınlara kadar uzanmaz. Akkor ışık kaynağı kullanılması halinde, Ge uçlarındaki gerilim küçük olmasına rağmen daha büyük akım sağlar. Güneş ışınları için silisyum pil daha uygundur.
Tek Kristal Silisyum Hücreler ( Monokristal)
CHROZALSKİ kristal çekme tekniği ile kristal büyütülerek elde edilir. Bu teknikte öncelikle ark fırınlarında silisyum oksit çeşitli kimyasal ve termal reaksiyonlardan geçirilerek saf silisyum elde edilir. Daha sonra eritilmiş potaya çekirdek denen tek kristal yapılı bir silisyum parçası batırılır. Belli hızda döndürülerek potadan çıkarılırken soğuması temin edilir ve çekirdeğin üzerine külçe şeklinde silisyum yığılmış olur. Öncelikle külçe dikdörtgen bloklar şeklinde kesilir. Daha sonra bu bloklar dilimlere ayrılarak pil şeklinde işlenir. Verimleri %15 civarındadır. Yapım sırasında malzeme kaybının çok fazla olması bu pillerin dezavantajıdır. Tek kristalli silisyum güneş pilinin rengi koyu mavi olup, ağırlığı 10 gramdan azdır. Dışardan bakıldığında hücre kenarları kesiklidir.
Çok Kristal Silisyum Güneş Pilleri (Polikristal)
Çok kristal silisyum hücrelerin üretimi daha kolay ve az maliyetlidir. Çok kristalli silisyum maddesi üretiminde dökme yöntemi kullanılmaktadır. Üretim aşaması kısaca şu şekildedir. İlk olarak tek kristalli silisyum’un elde edilmesi için yapılan işlemlerin bir çoğu aynen yapılır. Erimiş yarı iletken silisyum, kalıplara dökülerek soğuması beklenir. Kalıplardan elde edilen bloklar kare şeklinde kesilir. Bu yöntemle üretilen güneş pili daha az verimlidir. Ama maliyeti oldukça düşüktür. Çok kristalli silisyum (pc-Si) güneş pili verimi %12-15 arasında değişmektedir. Damarların boyutları kalitesi ile doğru orantılıdır. Damarların arasındaki süreksizlik, elektriksel yük taşıyıcılarının aktarılmasında engelleyici rol oynar.
Yarıkristal Silisyum Güneş Pilleri (Semikristal)
Bu tip piller, sıvı silisyumun soğutulmasıyla elde edilen kümelenmiş küçük silisyum kristallerinden oluşur. Bu pillerin verimleri %14 civarında olup, kümelenmiş silisyum taneciklerinin sınırlarındaki kayıplara bağlıdır.
Ribbon Silisyum Güneş Pilleri
Bu piller, malzeme kaybının azaltılması amacıyla levha halinde silisyum tabakalarından yapılırlar. Çeşitli yöntemlerle (Efg, Dendritik ağ) elde edilen bu piller, halen geliştirme aşamasındadır. Verimleri laboratuvar şartlarında %13-14 arasındadır.
İnce Film Güneş Pilleri
İnce film güneş pili, üst üste yerleştirilen aşırı ince yarı iletken katmanlardan oluşur. İnce film güneş hücresi, çok çeşitli malzemelerden yapılabilir. Ticari olarak kullanılan ince film güneş pili amorf silikondan yapılır. Bunun dışında yapımında çok kristal bakır indiyum diseleneid ve kadmiyum tellür de kullanılır.
İnce film teknolojisinin süreçle ilgili ve ekonomik avantajlarını kullanmak için çeşitli nedenler vardır. Örneğin, düşük materyal tüketimi, entegre modül üretimi ışını tutan tabakanın kalınlığının azalmasına imkan sağlar.
Örneğin amorf silisyum güneş pillerinin absorbsiyon katsayısı kristal silisyum güneş pillerinin katsayısından daha fazladır. Dalga boyu katsayısı 0.7 mikrondan küçük bir bölgedeki güneş radyasyonu 1 mikron kalınlığında amorf silisyum ile absorblanabilirken, kristal silisyumda ise aynı radyasyonu absorblamak için 500 mikron kalınlıkta malzeme kullanılması gerekmektedir. Bu yüzden amorf yapılı güneş pillerinde daha az malzeme kullanılır ve montaj kolaylığı nedeniyle bir avantaj sağlar.
2 mikrometre kalınlığındaki silikon tabakası için verimlilik potansiyeli % 8-12 olarak hesaplanmıştır. Depolama şartları nanokristal silikon ile amorf silikona benzediği için birlikte tandem hücreler olarak birleştirilebilmektedir. Silikon ince film güneş hücrelerinin yüksek verimliliği için 700 ºC de çöktürülmeleri gerekmektedir. İnce film hücre teknolojisinde farklı çökeltme yöntemleri kullanılır. Bu yöntemler oldukça ucuzdur. Katmanlar maliyeti düşük olan cam veya plastik esaslı malzeme üzerinde çökeltilir.
Normalde tek kristal silikon, solar modül içinde bireysel şekilde birbirine bağlı olarak tasarlanırken, ince film cihazlar tek bir ünite olarak yapılabilir. Yarı iletken malzeme ve arka elektrik kontaklarına, yansıtmayan özellikli kapmala ve iletken oksit katmanlar eklenir.
Çok Kristalli İnce Film Güneş Pilleri
Çok kristalli ince film güneş pili, yarı iletken malzemelerin çok küçük kristal taneciklerinden oluşur. Bu tip güneş hücrelerinde kullanılan malzemeler, silikondan farklı özelliklere sahiptir. Bu hücrelerde, 2 farklı yarı iletken malzeme arasındaki ara yüzey ile daha kolay elektrik alanı yaratılır. Çok kristalli ince güneş pili, pencere olarak isimlendirilen 0,1 mikron’dan daha ince kalınlıktaki bir üst katmana sahiptir. Pencere katmanının işlevi yüksek enerji taşıyan ışınım enerjisini absorbe etmektir. Yeterli bant boşluğuna sahip olması için, bu katmanın yeteri kadar ince olması gerekmektedir.
Amorf Silisyum Güneş Pilleri
Amorf silisyum güneş pilleri (a-Si), ince film güneş pili teknolojisinin en önde gelen örneğidir. İlk kez 1970 lerin ortalarında güneş hücreleri için kullanılmaya başlandı. Cam gibi amorf yapıdaki katı malzemelerin atomları belli bir düzende sıralanmamıştır. Bunun gibi malzemeler tam anlamıyla kristal bir yapı oluşturmaz. Ayrıca çok sayıda yapısal ve bağlantı hataları içerir.
İlk yapılan a-Si piller Schottky bariyer yapısında iken, daha sonraları p-i-n yapıları geliştirilmiştir. P-i-n yapısındaki pillerin fabrikasyonu kalay oksitle kaplı iletken bir yüzeyin üzerine silane gazından (SiH4) 80 ile 200 derecede plazma destekli kimyasal çöktürme yöntemi ile yapılır, bu yüzeyin arkası daha sonra metalle kaplanır. Bu amorf silikon direkt bir yarıiletken ve çok ince bir aktif tabakaya yaklaşık olarak 1 μm sahiptir. Kristal silikona oranla daha düşük sıcaklıkta daha az enerji ve düşük maliyetle elde edilmiştir. Verimleri %5-8 arasındadır. Ancak bu piller, kısa zamanda bozunuma uğrayarak çıkış gerilimleri azalır. Çok işlevsel cihazlar geliştirmek için karbon, germanyum, azot ve kalay ile amorf silikon alaşımları kullanılır. Galyum arsenit ile yapılan ince film güneş pili %24’den daha fazla verim göstermektedir.
Kadmiyum Tellürid Güneş Pilleri (CdTe)
Kadmiyum tellür diğer ince film güneş pili teknolojilerine kıyasla daha kolay depolama ve daha geniş ölçekli üretime daha uygundur. Kristal silikon üretimi oldukça makul ve tecrübelere bakıldığında rahatça anlaşılabilir bir yapı ihtiva etmekte ancak malzemesi pahalıdır. İnce film teknolojisinde ise tam tersi malzeme ucuz ancak ürün için uygulanan süreç pahalı ve anlaşılması zordur. Eğer geniş alanlarda bir uygulama yapılacaksa ince film teknolojisi kristal silikona tercih edilebilir. Kadmiyum tellür güneş hücresi verimi %15’ten fazladır. Ve bu hücreler ile yapılan güneş paneli modülleri ise %9’dan daha fazla verime sahiptir.
Kadmiyum tellür (CdTe), periyodik cetvelin 2.grup elementi olan kadmiyum elementi (Cd) ve 6.grup Tellür (Te) elementinin bir araya gelemesiyle oluşan yarı iletkendir. CdTe 1,45 eV düzeyinde bant boşluğuna sahiptir. Bu değer güneş pilleri ile elektrik elde etmek için çok uygun bir değerdir. CdTe’nin optik absorbe düzeyi ise 10^5/cm olup, oldukça yüksek bir değerdir. Bileşik 400 ºC sıcaklıkta stokiyometrik formda kolaylıkla geliştirilebilir.
Bakır İndiyum Diselenoid (Cuınse2) Güneş Pilleri
Periyodik cetvelin 1., 3. ve 6. grup elementlerinin üçünün veya daha fazlasının bir araya gelmesiyle oluşan yarı iletkendir. Bu yarı iletkenin absorbe etme katsayısı oldukça yüksektir. Bu malzemenin ilk 1 mikron kalınlığında ki katmanı, gelen ışınların %99’unu absorbe edebilir. 1.04 eV yasak enerji aralıkları güneşin spekturumu ile ideal bir şekilde uyuşacak biçimde ayarlanabilir. Dış ortam testlerindeki kararlılığı ise çok iyidir. Bakır, indiyum ve selenyum’dan yapılan üçlü bileşik yarı-iletkenle başlayan bu grup (CIS) güneş pilleri olarak anılır.
CdTe güneş pillerine en yakın rakip olarak gözükmektedir. Bundan dolayı CIS fotovoltaik güneş pili, ticari olarak yaygın kullanılmaktadır Bu gün CIS ince film güneş pillerinin çoğunluğu içerisinde Ga elementinin katılması ile daha yüksek verimlilikler elde edilir. Ancak yarı-iletkeni oluşturan element sayısı artıkça gereken teknoloji ve malzemenin özelliklerinin denetimi de bir o kadar karmaşık duruma gelmektedir. Laboratuardaki küçük alan pillerin verimliliği %18’e kadar ulaşırken modüllerin verimlilikleri ancak %15 dolayındadır. CIS pillerde uygulanan teknolojilerden iki tanesi öne çıkmıştır;
- Bunlardan birincisi, elementlerin eş zamanlı olarak vakumda buharlaştırılmasıdır.
- İkinci yöntem, herhangi bir yöntemle büyütülen bakır-indiyum ince film alaşımının uygun bir ortamda selenyumla tepkimeye sokulmasıdır (Selenizasyon).
Her iki durumda da soğurucu olarak kullanılan CIS yarı-iletken, CdS ile bir araya getirilerek heteroeklem diyot oluşturulur. CdS tabakaların üretilmesinde ortaya çıkan yöntem CdTe tabakalarında olduğu gibi burada da kimyasal banyo yöntemidir.
Bakır İndiyum Galyum Diseleneid Güneş Pilleri (CIGS)
İnce film güneş pili çeşitlerinden bir diğeride bakır indiyum galyum diseleneid olanıdır. Kısaca CIGS olarak adlandırılır. Bu güneş pili, yarı iletken esnek bir taban üzerine yapılır. CIGS güneş pili diğer ince film güneş hücrelerinden daha yüksek bir verime sahiptir. CIGS güneş pilleri teorik olarak %30 verime sahipken, uygulama koşullarında en fazla %25 verime ulaşmaktadır.
Fleksibil CIGS Güneş Pilleri
İnce film güneş pili teknolojisinde en önemli avantajı ucuz üretim şeklidir. Bu güneş modülleri elektriksek olarak içten bağlantılıdır ve tek parça halinde üretilebilir. Son yıllarda rulo halinde olan esnek güneş pilleri oldukça popülerdir. Hatta, özellikle solar çatı sistemleri için fleksibil CIGS güneş pili çeşidi kullanılmaktadır. Hafif ve rulo şeklini alabilen bu CIGS güneş pilleri, uzay teknolojisi açısından oldukça yüksek potansiyele sahiptir.
Boya Duyarlı Güneş Pilleri
Boya duyarlı güneş pili hücreleri, silikon gibi yarı iletken ve su gibi çözücü sıvı içinde eriyen tuzla oluşturulmuş bir iletim çözeltisi olan elektrolit sıvı içerir. Yarı iletken ve elektrolit, güneş ışınımı hücrenin üzerine ulaştığında, üretilen yakın bağlı elektron-boşluk çiftlerini ayırmaya çalışır. Işınım tarafından indüklenen yük taşıyıcıların kaynağı, güneş pili hücrelerine ismini veren ışığa duyarlı boyalardır.
Yaygın olarak kullanılan boya ise iyodürdür. Ayrıca, titanyum dioksit (TiO2) gibi nanomalzeme, boya moleküllerini iskelet bir yapıda tutmak için kullanılır. Bu hücrelerin en önemli gelişimi 1991’de ki çalışmadır. Bu çalışmada, TiO2 nanoparçacığı daha verimli ve kararlı olan rutenyum (ru) tarafından algılanarak oluşturulan kompleks boya kullanılarak, ışığı soğuran boya geliştirilerek yapılmıştır. Boya duyarlı hücrelerin güneş pili uygulamalarında ki kullanımı, bitkilerdeki klorofil hareketi fotosentez yöntemi ile aynıdır.
Nanofotovoltaik Güneş Pilleri (NanoPV)
Nanofotovoltaik teknolojisi geleceğin güneş pili teknolojisidir. Nano-mikro kristalli yüksek verimli güneş hücrelerini kapsamaktadır. NanoPV piller, yapılarındaki hidrojen amorf silikon ve geçirgen iletken (TCLO) teknolojisi ile diğer güneş pillerine göre % 8-10 daha fazla verim sağlar. Nanomateryaller, optik, elektrik ve kimyasal özellikleri açısından oldukça iyidir. Bu yüzden hücre verimide arttırılabilir. Nanofotovoltaik teknolojisinde 3 tip malzeme kullanılır;
- kristal yarı iletken 3-5 materyalleri,
- polimerik materyaller,
- karbon esaslı nano yapılar.
Güneş pili üretiminde iletken olarak çinko (ZnO) ve titanyum (TiO2) nanotelleri kullanılabilir. Bu nanotellerin her birisi saç telinden 1000 kat daha ince olabilmektedir.
Nano güneş pili teknolojisinin avantajları
- NanoPv teknolojisi ile mimarlar esnek güneş pillerini kullanabileceklerdir. Farklı tasarımlara olanak verecektir,
- Kendi kendisini yenileyebilecek ve temizleyebilecektir. Böylece bakım-işletim maliyeti ortadan kalkacak,
- NanoPV teknolojisi sayesinde güneş pili verimi en az %8-10 artacaktır,
- Nano teknoloji ile üretilen güneş panelleri çok hafif olacağı için binaya olan statik yükü neredeyse ihmal edilecek noktada olacaktır,
- İşsizliği azaltacak ve yeni iş sahaları açacaktır.
Nano güneş pili teknolojisinin dezavantajları
- Nanometrik boyutlarda üretim yapmak ve bu ölçeği gözlemlemek çok zor olduğundan, özel üretim yöntemleri gerekecektir,
- Bu teknoloji ile üretilen güneş panellerinin ilk yatırım maliyeti diğer güneş panellerine göre oldukça fazladır,
- Bu alanda çalışabilecek teknik elemanların yetişmesi için uzun yıllar gerekecektir.
İnce Film Kalgonit Güneş Pilleri
CdS, CdSe ve CdTe filmleri kimyasal çökeltme işlemi ile üretilir. CuxS, CuxSe ve CuxTe katmanları ise CdS, CdSe ve CdTe filmleri ile birlikte CuCl çözeltisinde 1-2 dakika daldırılarak üretilir. Bu 3 tür güneş pili hücresi de %10’dan fazla verim verebilmektedir. Ancak, bakır kalgonit katmanlar, bakır difüzyonu ile bozulmasından dolayı ar-ge çalışmalarına son verilmiştir ve artık üretilmemektedir.
Çok Eklemli (Tandem) Güneş Pilleri
Tek tip malzeme ile yapılan güneş pilleri teorik %30, uygulamada ise %25 verim sağlayabilmektedir. Bu yüzden çok eklemli güneş pili üzerindeki araştırmalar oldukça artış göstermiştir. Çok eklemli güneş pili, 2 veya daha fazla yarı iletken katmanlardan yapılmaktadır. Bu katmanların birisi mavi ışığı çok iyi absorbe ederken, diğeri kırmızı ışığı daha iyi soğurmaktadır. Bundan dolayı çok eklemli güneş hücresi, tek tip malzemeden yapılan hücrelere göre daha verimlidir.
Teorik olarak ideal güneş pili, mor ötesi ve kızıl ötesi arasında bulunan farklı dalga boylarına ayarlı yüzlerce katmandan oluşabilir. Böyle bir durumda %70 gibi inanılması güç bir verime ulaşabilir. Ancak bu ideal güneş pili uygulama açısından yapılamaz. Bundan dolayı, bilim adamları birkaç katmanlı olan güneş pillerine yoğunlaşmış durumdadır. Günümüzde çok eklemli güneş pili verimliliği laboratuvar şartalarında %35-40 gibi düzeylere çıkarılabilmiştir. Çok eklemli güneş pilinin çıkış akımı, eklemlerin ayrı ayrı ürettiği akımların küçüğü ile sınırlıdır; bu nedenle bu hücrelerdeki seri yapı, akım uyumunu kaçınılmaz kılmaktadır.
Kuantum Noktalı Güneş Pilleri
Kuantum noktaları değişik yöntemlerle üretilebilen, çapları 2-10 nm arasında değişen kristal yarı iletkenlerdir. Kuantum noktalarının avantajları, nokta çapı basit şekilde seçilerek, soğurma eşiğinin ayarlanmasına imkan vermesidir. Kuantum noktaları genelde yapay atomlar olarak adlandırılır ve silikon germanyum gibi elementlerden üretilebildiği gibi CdS, CdSe, CdTe gibi bileşiklerden de üretilebilir. Bu noktalar 3 boyutlu kısıtlamaları ayarlayarak, enerji taşıyıcılarını kontrol olanağı sağlayan kanal işlevini yaparlar.
Amorf silisyum tasarımındaki gibi p-i-n güneş pili, iç kısmındaki sıralı diziler içerisine tek boyutlu nokta yerleştirilerek, teorik açıdan %63 verim elde edilebilir. Kuantum noktalı malzemeler nanometre seviyesindedir ve bant genişliği ayarlanabilir.
Kuantum noktalı güneş pili veriminin artmasının nedeni alt boşluk enerjilerinin absorbe edilmesi için noktaların kaynaştırılmasıdır. Bu yöntem ile akım çekildiğinde sıradan çok eklemli hücrenin veriminden daha yüksek verim elde edilebilir. Verim değeri, fotonların enerjisi ile değil, konukçu bant boşluğu ile sınırlıdır. Büyük boyutlu parçacıklar küçük olanlara göre daha dar bir enerji seviyesine sahiptir. Dolayısıyla daha düşük enerjili fotonları soğururlar. Aşağıdaki resimden UV ışık ve ortam ışığı altındaki CdSe kuantum parçacıkların fotoğrafından görülebilir.
