| |
|
|
Fotovoltaiklerin Yapısı
Fotovoltaikler, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen fotovoltaikler genellikle alanları 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasında olan hücrelerin birbirlerine eklenmesiyle oluşur . Fotovoltaikler, Şekil’de gösterildiği gibi üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Fotovoltaiklerin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Güneş enerjisi, fotovoltaiklerin yapısına bağlı olarak %5 ile %20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda hücre birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak bir kaç W’dan MW'lara kadar güçler elde edilebilir
|
 |
| Fotovoltaik Çalışma Prensibi |
| |
Günümüz elektronik ürünlerinde kullanılan transistörler, doğrultucu diyotlar gibi fotovoltaikler de, yarıiletken maddelerden yapılırlar. Yarıiletken özellik gösteren birçok madde arasında fotovoltaik yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir. Yarıiletken maddelerin fotovoltaik olarak kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarıiletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır.
Elde edilen yarıiletkenin n ya da p tipi olması katkı maddesine bağlıdır. En yaygın fotovoltaik maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element, örneğin fosfor eklenir. Silisyum'un dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğu için, fosforun fazla olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir. Bu nedenle 5. grup elementlerine "verici" ya da "n tipi" katkı maddesi denir. P tipi silisyum elde etmek için ise, eriyiğe 3. gruptan bir element (alüminyum, indiyum, bor gibi) eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur, bu elektron yokluğuna hol ya da boşluk denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere de "p tipi" ya da "alıcı" katkı maddeleri denir. P ya da n tipi ana malzemenin içerisine gerekli katkı maddelerinin katılması ile yarıiletken eklemler oluşturulur. N tipi yarıiletkende elektronlar, p tipi yarıiletkende holler çoğunluk taşıyıcısıdır. P ve n tipi yarıiletkenler biraraya gelmeden önce, her iki madde de elektriksel bakımdan nötrdür. Yani p tipinde negatif enerji seviyeleri ile hol sayıları eşit, n tipinde pozitif enerji seviyeleri ile elektron sayıları eşittir. Pn eklem oluştuğunda, n tipindeki çoğunluk taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine doğru akım oluştururlar. Bu olay her iki tarafta da yük dengesi oluşana kadar devam eder. Pn tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, p bölgesi tarafında negatif, n bölgesi tarafında pozitif yük birikir. Bu eklem bölgesine "geçiş bölgesi" ya da "yükten arındırılmış bölge" denir. Bu bölgede oluşan elektrik alan "yapısal elektrik alan" olarak adlandırılır. Yarı iletken eklemin güneş hücreleri olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekir. Bu dönüşüm iki aşamada olur, ilk olarak, eklem bölgesine ışık düşürülerek elektron-hol çiftleri oluşturulur, ikinci olarak ise, bunlar bölgedeki elektrik alan yardımıyla birbirlerinden ayrılır. Yarıiletken bir yapının oluşumu Şekil’de verilmektedir
|
 |
| Yarı İletkenlerin Çalışma Prensibi |
| |
Yarıiletkenler, Şekil’de gösterildiği gibi bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur. Bu bantlar valans ve iletkenlik bandı adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eşit veya daha büyük enerjili bir foton, yarıiletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans bandındaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar. Böylece, elektron-hol çifti oluşur. Bu olay, pn eklem ara yüzeyinde meydana gelmiş ise elektron-hol çiftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde fotovoltaik, elektronları n bölgesine, holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır. Birbirlerinden ayrılan elektron-hol çiftleri, güneş pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluştururlar. Bu süreç yeniden bir fotonun fotovoltaik yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam eder. Yarıiletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol çiftleri oluşturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı için tekrar birleşerek kaybolmaktadırlar
Fotovoltaiklerin Elektriksel Modellemesi
Güneş hücrelerine dayalı fotovoltaik ve enerji sistemlerinin matematiksel analizi hücrelerin elektriksel özelliklerine dayandırılmaktadır. Çeşitli hücre sıcaklığı ve radyasyon değerleri altındaki voltaj ve akım ilişkileri elektriksel modellemelerle incelenmekte ve hücre yapısı geliştirilmektedir. Modelde kullanılması gerekli modül ve hücre özelliklerinin üretici firma tarafından temin edilmesi gerekmektedir. Ayrıntılı modellerden ziyade birçok araştırmacı basit modeller üzerinde çalışmışlardır. Basit modellerinde ayrıntılı modellere yakın sonuçlar verdiği bildirilmiştir.
|
| |
 |
Fotovoltaik bir modülün eşdeğer elektrik devresi |
| |
Şekil’deki elektrik devresinin tanımlanması için beş adet parametrenin bilinmesi gerekmektedir. Bu parametreler; IL ışık akımı, ID diyot ters akımı, Rs seri direnç, Rsh paralel direnç, bir model parametresi olan a’dır. Sabit hücre sıcaklığı ve güneş ışınımında, bu modelin akım-voltaj (I-V) özellikleri şu denklem ile verilmektedir,
I = IL – ID – Ish =IL – I0{exp[ (V + IRs )/Ia ] – 1} – ( V + IRs ) / Rsh
Bir fotovoltaik modülün gücü,
P = IV
olarak yazılabilir. |
Fotovoltaiklerin Yapımında Kullanılan Malzemeler ve Fotovoltaik Çeşitleri |
| |
Kristal Silisyum
Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen tekkristal silisyum bloklardan üretilen fotovoltaiklerde laboratuvar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen çokkristal silisyum fotovoltaikleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük olmaktadır. Verim, laboratuvar şartlarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır. |
 |
| |
|
 |
| |
|
Galyum Arsenit (GaAs)
Bu malzemeyle laboratuvar şartlarında %25 ve %28 (optik yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli GaAs fotovoltaiklerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs fotovoltaikler uzay uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır. |
 |
| |
|
|
| |
|
Amorf Silisyum
Kristal yapı özelliği göstermeyen bu silisyum fotovoltaiklerden elde edilen verim %10 dolayında, ticari modüllerde ise %5-7 mertebesindedir. Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum fotovoltaiklerin bir başka önemli uygulama sahasının, binalara entegre yarısaydam cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olabileceği tahmin edilmektedir. |
 |
| |
|
|
| |
|
Kadmiyum Tellürid (CdTe)
Çokkristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile fotovoltaiklerin maliyetinin çok aşağılara çekileceği tahmin edilmektedir. Laboratuvar tipi küçük hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir. |
 |
| |
|
|
| |
|
Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2)
Bu polikristal fotovoltaikler laboratuvar şartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim sağlamıştır. |
 |
| |
|
|
| |
>> QCL Q6LTT GB Jan06 003 (PDF Dosya)
>> Db cells dcm125 mono engl (PDF Dosya)
>> Db dcp156 poly engl (PDF Dosya) |
|
| |
|
|
| |
|
|
