GÜNEŞ PİLLERİ
Güneş pillerinin çalışmasının daha iyi anlaşılabilmesi için bazı temel teorik bilgilerin hazırlanmasında fayda vardır.
Güneş pilleri, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları 100 cm2 civarında, kalınlıkları özellikle en yaygın olan silisyum güneş pillerinde 0.2 – 0.4 mm arasındadır.
Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pillerin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Deniz seviyesinde, parlak bulutsuz bir gündeki ışınım şiddeti maksimum 1000 W/M2 civarındadır. Yöreye bağlı olarak 1m2’ye düşen güneş enerjisi miktarı yılda 800-2600 KWh arasında değişir. Bu enerji, güneş pilinin yapısına bağlı olarak %5 – %70 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.
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 fotovoltail modül adı verilir. Gerekirse bu modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak, fotovoltaik bir dizi oluşturabilir.
Maddenin Yapısı ve Yarı İletkenler
Bilindiği gibi madde, pozitif yüklü çok ağır bir çekirdekle, onun etrafında belirli yörüngelerde dolanan elektronlardan meydana gelmiştir. Bu yükler, dış tesir yoksa birbirini dengeler. Elektronlar, yörüngelerinin bulunduğu yarıçapa, orantılı olarak potansiyel ve kinetik enerji taşırlar. En dış yörünge de maksimum 2, sonrakinde 8 ve üçüncüde 18 elektron bulunabilir. Elektronlar, ard arda gelen ve her biri belli sayıda elektron bulundu¬ran enerji bandlarında bulunurlar. Dışarıdan enerji alan.bir elektron bir üst seviyedeki banda çıkabilir. Daha düşük banda geçen elektron da dışarı enerji yayar. Son tabaka elektronlarına valans (denge) elektronları denir ve cisimlerin kimyasal bileşikler yapmalarını te¬min eder. Son tabakası dolmamış bir atomun, bir başka cisme ait kom¬şu atomdan elektron kapmaya yatkınlığı vardır. İç tabaka elektronla¬rı ise çekirdeğe çok sıkı bağlıdırlar. Termik enerji verilirse, elektronun yörüngesi etrafında titreşimi arttırır.
Elektron, yörüngesini muhafaza ettiği müddetçe ne enerji yayar, ne de absorblar. Bir elektron, uyarımla, atomu terk edecek enerji kazanıp ayrılabilir. Atom (+) iyon şekline geçer.
İzoleli atomda (gazlarda) elektronlar, belirli bir enerji bandını işgal ederler. Bir kristalin atomları, kristal içinde muntazam diziler halinde yer alırlar. Atomlar, birbirlerine çok yakındırlar ve elektronlar, birbirine yakın enerjileri temsil eden enerji bandları üzerinde bulunurlar. Örneğin; bir germanyum atomunda, tek bir atom ele alınırsa atom temel haldedir. Mutlak sıfır, sıcaklıkta, elektron minimum enerji seviyesine sahiptir.
Germanyum kristalinde ise, mutlak sıfır sıcaklıkta, temel seviyenin yerini valans bandı alır. Bundan sonra, hiçbir elektronun bulunmadığı yasak bölge ve sonra da yüksek enerjili iletkenlik bandı bulunur. Bu sıcaklıkta Ge kristalinde iletkenlik bandında hiçbir elektron bulunmaz, yani kristal ideal bir yalıtkandır
Ge kristalinin iletkenlik kazanabilmesi için, iletkenlik seviyesine elektron temin edilmelidir. Bunun için gerekli enerji 0.7 eV civarındadır. Fotoelektrik olay için Eg , kristalin soğurabileceği minimum enerjisini gösterir.
Buna karşı, bir metalik kristalde yasak band yoktur, iletkenliği temin edecek, iletkenlik bandında çok sayıda elektron bulunur.
Elmas için E=7 eV’ luk enerji ile elektron yasak bandı geçilebi¬lir. Bunun için malzemeye büyük elektrik voltajı uygulanması gerekir. Bu ise malzemeyi tahrip eder.
Yarı iletkenlerde, yasak bandı geçmek için (1 eV) yeterlidir, oda sıcaklığında kristal atomlarından birkaç tanesinin elektronları, iletkenlik bandına geçer ve iletkenliği sağlar. Geride bıraktığı boşluğa da başka bir elektron gelir ve o da iletkenliğe katılmış olur.
Bir kristal, ortak elektronla birbirine bağlı atomların düzgün olarak yerleşimiyle meydana gelmiştir. İyonik bağdan farklı olan bu birleşmeye “Kovalant” bağ denir. Valans elektronlar, kovalant bağ içinde, bir atomdakinden daha düşük enerji seviyesindedir. Kristali bozmak için, bu enerji farkı kadar enerji gerekir. Bu kristalin kararlılığını gösterir. Deney sonuçlarına göre;
-Mutlak sıfır civarında, yarı iletkenin hiçbir elektronu serbest değildir. Bu sıcaklıkta sadece iletken ve yalıtkan vardır.
-Sıcaklık arttıkça, yarı iletkende serbest elektronlar oluşur ve cisim iletken hale geçer.
-Serbest elektronların yoğunluğu, sıcaklıkla artar. Yarı iletkende öz iletkenlik sıcaklıkla artar.
İki atomu birbirine bağlayan valans elektronların serbest hale geçmesi için gerekli enerji; metaller için sıfır, yalıtkanlar için birçok elektron volt, yarı iletkenler için 1 eV civarındadır.
a. N Tipi Yarı İletken:
İletkenlik tipini değiştirmek için Si ve Ge içine, periyodik cetvelin III ve V. grup elementleri ilave edilir. Bunlar boş valans elektronu bulundururlar (Arsenik, Bor, Fosfor, Antimuan gibi).
Ergimiş halde bulunan Ge’a (milyonda bir) arsenik ilave edilirse, her arsenik atomu, bir Ge atomu yerini alacak ve 4 elektronuyla kovalant bağ teşkil edilecek, 5. valans elektronu serbest kalıp iletkenliği temin edecektir. İletkenlik (-) yükle temin edildiği için N tipi yarı iletken ismini alır. Bu elektronlar, oda sıcaklığında, iletkenlik bandına ulaşır.
b. P Tipi yarı İletken:
Ergimiş germanyuma, III. gruptan üç valans elektronu bulunduran elemanlar ilave edilerek yapılır (İndium, Galyum…). katılaşma sırasında indium atomları kristal örgü içinde Ge atomunun yerini alır. Kovalan bağ için 3 elektron mevcuttur ve komşu atomdan bir elektron kaparak bağ oluşturur. Komşu atomda bir boşluk oluşmuştur. Bu ise elektron hareketine sebep olur. Bir yarı iletkenin kullanılabilme maksimum sıcaklığı, aktivasyon enerjisiyle artar. Kullanabilme maksimum frekansı, yük taşıyıcıların hareketliliği ile artar.
P – N Kavşağı
Bir monokristal yarı iletkenliğinin P tipinden N tipine geçiş bölgesidir. Bu bölge kristalleşme sırasında oluşturulur. N bölgesinde, termik uyarımla azınlıkta olan boşluk ve çoğunlukta olan elektron yükleri ve (+) iyonize atomlar vardır
P bölgesinde ise, negatif iyonize atom, termik uyarımla bulunabilen azınlık elektron ve çoğunluk elektron boşlukları vardır. İki eleman temasa geçirildiğinde, N bölgesindeki elektrolar (çoğunluktadır) P tipi bölgeye hareket eder. P bölgesindeki elektron boşlukları da N bölgesine hareket eder. Böylece N tipi bölgedeki atomlar (+), P tipi bölgedeki atomlar (-) olarak iyonlaşmış olur. Bunlar, kristal içinde sabit yük merkezleri oluştururlar. Kavşağın her iki yüzünde iyonize olmuş atomlar, kristal içinde, yönü N’den P’ye doğru olan bir elektrik alan meydana getirirler.
Bu bölge geçiş bölgesidir ve serbest yükler yoktur. Kavşaktaki bu potansiyel farkı, P’den N’ye geçecek boşluklar ve N’den P’ye geçecek elektronlar için bir potansiyel duvarı teşkil eder. N’den ayrılacak bir elektron, arkasında kendini geri çağıran bir boşluk bırakır ve önündeki P tipi bölgedeki (-) yükler elektronu püskürtür
Özet olarak, P-N kavşağında meydana gelen elektrik alan, kavşak civarındaki elektronu, P’den N’ye doğru iter (N’deki elektronu geri püskürtür, P’deki elektronu N’ye iletir)
Enerjisi yeterli bir ışık demeti (h.f >Eg. N Planck sabiti, f frekans), P-N kavşağı üzerine düşürüldüğü zaman, foton elektronlarla karşılaşıp enerji verebilir. Serbest elektronlar, valans elektronlarının ancak 1/104 kadarı olduğundan, bu ihtimal zayıftır. Foton, muhtemel valans elektronu ile karşılaşır ve ona enerjisini bırakarak iletkenlik bandına çıkarır. Elektron, arkasında bir elektron boşluğu bırakır.
Olay A-B aralığında ise; elektron, oluşan elektrik alanla N bölgesine, boşluk da P bölgesine itilir. Olay kavşağa yakın N bölgesinde oluşmuşsa, boşluk yine P bölgesine götürülür. Kavşaktan uzakta oluşan elektron boşluk, zamanla birbirini bulacaktır. Sonuç olarak P tipi bölge (+), N tipi bölge (-) yüklenmiş ve bir potansiyel doğmuştur.
Fotovoltaik Pil
Foton absroblanmasıyla yük taşıyıcılar çoğunlukta oldukları bölgelere sürüklenirler. Kavşaktan Is akımı geçer ve N(-), P’de (+) yüklenmiş olur.
Is akımı, kavşağın ileri yönde kutuplaşmasına ve kavşak potansiyel duvarının alçalmasına sebep olur. Dış devre açık ise (akım yoksa) P’den N’ye akım geçer ve kavşak potansiyel duvarı tekrar yükselir; P bölgesi (-), N bölgesi (+) yüklenir. Sonra tekrar foton absorblanarak olay devam eder. Bu durumda Is = I olur.Dış devreden akım geçerse Is = I – IL olacak şekilde dışarıya elektrik enerjisi alınır. Şekil 7 ‘de bu pilin elektrik eşdeğer devresi görülmektedir. En yüksek foton enerjisi yeşil ışık için h.f = 2.5 eV civarındadır. P-N kavşağındaki temas potansiyeli, elektronları daha yüksek potansiyele çıkaran batarya rolü oynamaktadır.
Güneş Pili Çeşitleri
Bakır – bakıroksit ve gümüş yarı iletkenleri ile yapılan güneş pilleri, selenyum pilleri ve silisyum güneş pilleri en çok kullanılanlarıdır:
a. Selenyum Güneş Pili:
Saf selenyum, alkali metallerle veya klor, iyod gibi halojenlerle karıştırılıp P tipi yarı iletken oluşturulur. Bunun üzerine iyi iletken ve yarı iletken / yarı geçirgen bir gümüş tabaka birkaç mikron kalınlığında kaplanarak P-N kavşağı oluşturulur. Şekil 8’da bir selenyum güneş pilinin yapısı görülmektedir. Bu pillerin 50 0C’nin üzerinde kullanılmamaları tavsiye olunur.
b. Silisyum Güneş Pili:
Uzay araştırmalarında kullanılan pillerin çoğu bu türdendir. Silisyum SiO2 halindeki kumdan elde edilir. Küçük bir kristal özünüm, eritilmiş potaya daldırılır. Belli hızda döndürülerek potadan çıkarılırken soğuması temin edilir ve kristalin büyütülmesi ile güneş pili elde edilir. Eriyik içine P tipi yarı iletkenlik malzemeleri katılır. P tipi kristaller dilimler şeklinde kesilir. Sıcaklığı kontrol edilen P2O5 ‘li difüzyon fırınında N tipi yarı iletkenle 10-4 – 105 m. Derinliğe kadar difüzyon temin edilerek P-N kavşağı oluşturulur.
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 ise silisyum pil daha uygundur.
Güneş pilleri, pahalı oldukları için ulaşılması güç yerlerde kullanılmaktadır. Metalik iletkenlerin normal sıcaklıktaki özdirençleri 1.6×10-6 – 150×10-6 ohm.cm aralığında değiştiği halde iyi bir yalıtkanın özdirenci 1012 –1018 ohm.cm arasında değişir. Özdirençleri 10-3 –107 ohm.cm arasında olan elemanlar da yarı iletkenlerdir. yarı iletkenlerin özdirençleri çok düşük sıcaklıklarda yalıtkanlarınkine yakındır. metallerin aksine, yarı iletkenler sıcak bir ortamda, soğukta olduklarından daha iletkendirler. başka bir deyişle yarı iletkenlerin özdirençleri sıcaklık arttıkça azalır ve değişim katsayısı metallerinkinden 10 kat daha büyüktür.
Güneş pillerinin çalışmaları ile ilgili teoriyi kısaca şu şekilde özetleyebiliriz. Metallerde atom sayısı kadar serbest elektron iletkenliği temin eder. Yalıtkan kristallerde ise elektronlar düşük enerjili valans bandında bulunur. Bunları iletken hale getirmek için elektron bulunmayan yasak enerji bantlarını geçecek şekilde elektronlarına enerji verilmelidir. Bu enerji 5-9 eV civarındadır.
Birbirleriyle kovalant bağ teşkil ederek bağlanmış yalıtkan kristal atomları içine (milyonda birkaç değerinde) III veya V. grup elementlerden katılırsa bazı kristal atomlarının yerini bu elementler alacaktır. V. grupla oluşan yapıda, katkı elemanlarının 4 elektronu, yalıtkan kristal atomunun 4 elektronunu müşterek kullanarak, dış devresini tamamlayıp kovalant bağ oluşturacak ve bir elektronu açıkta kalıp iletkenliğe katılacaktır. Yarı iletken N tipidir ve elektronun iletkenlik bandına geçmesi için gerekli enerji bir elektron volt civarındadır. Kristalleşme III. grup elemanları ile yapılırsa elementin 3 elektronu yalıtkan kristal atomunkilerle müşterek bağ kuracak ve yakın komşu atomdan bir elektron kapıp 4.cü bağını tamamlarken orada bir elektron boşluğu bırakacaktır. Bu da P tipi yarı iletkendir ve iletkenlik için 1,2 – 1,5 eV enerji gerekir.
Güneş Pili Eşdeğer Şeması ve Güneş Panelleri
Bilindiği gibi, güneş pili bir yarı iletken düzenektir. Çoğunluk yük taşıyıcıları elektronlardan oluşan N tipi ile çoğunluk yük taşıyıcıları oyuklardan oluşan P tipi yarı iletken yan yana getirilir. Işık enerjisi bu birleşme noktasına düşürülürse dış devreden bir akım geçebilmektedir
P-N yarı iletken kavşağında, elektronlar P tipi bölgeye geçerek birleşme yüzeyine yakın bölgelerde boşluk yük taşıyıcıdaki elektron eksikliğini tamamlayıp (-) iyonlar oluştururken N tipi bölgede de (+) iyon duvarı oluşacaktır. Dış tesir olmazsa bu enerji duvarı akımın geçmesini önleyecektir. Işın demeti bu bölgeye düşerse, yük taşıyıcı elektronlar çok az oranlarda olduğundan, muhtemelen bir valans elektrona enerjisini bırakacak ve onu P tipi bölgeye doğru itecektir. Dış devre akımı ise P’den N’ye doğru olacaktır
Bir güneş pilinde N tipi bölgede elektron üreten bir elektromotif kuvveti düşünülebilir. Şekil 11 ‘de fiziksel eşdeğer devre görülmektedir. Devre elemanları bir elektromotor kuvvet, bir iç diyot ve bir iç direnç şeklinde sembolize edilebilir.
Güneş pilleri, belli güneşlenme şartlarında, birim alan başına belirli bir akım ve voltaj üretirler. İstenen bir enerji için bir çok pili seri ve paralel olarak bağlamak gerekir. Böylece güneş panelleri oluşturulur. Şekil 11 ‘de eşdeğer şeması verilen güneş pilinde dış devre akım şiddeti ve uçlardaki gerilim ölçülebilir. Ayarlanabilir bir dış dirençle, gerilim ve akım açık devreden kısa devreye kadar değiştirilerek Şekil 12 ‘deki gerilim akım şiddeti eğrileri elde edilebilir. 1 cm² ‘lik pil güneşlenme alanı için ışınım şiddeti 0.5 – 1.0 kw/m² arasında değişirken, optimum çalışma noktaları ve sabit yük eğrisi bu şekilde gösterilmiştir.
Ölçümler 27 0C sıcaklıkta yapılmış olup yüzey sıcaklığı arttıkça gerilim düşer. Akım şiddeti, güneş ışınım yoğunluğu ve pil ışınım alanı ile orantılı olarak değişir. Sıcaklığın voltaja tesiri 0.022w/ 0C oranında olmaktadır. Şekil 13‘te 40 adet seri bağlanmış 10×10 cm ebadında pilin, 1 kw/m² ışınım şartlarında akım şiddeti gerilim karakteristiği değişik sıcaklıklar için verilmiştir.
Bir güneş panelinde güç adaptasyonunun optimizasyonu için şarj ve kullanma devresine, ayarlanabilen dirençler eklenmelidir. Güneş pili iç direnci uygun olmalı, aşırı güneşlenme halinde fazla enerji kullanan ikinci bir devre bulunmalıdır. Yük direnci veya şarj regülatörü giriş direnci, ışınıma göre değişebilmelidir. 12 volt, 35 ampersaat kurşun aküler, sıvı kayıpları ve kendiliğinden deşarjları az olduğundan bu amaçla kullanımları uygundur.
Güneş Pillerinin Yapısı
Tek kristalli silisyum güneş pilinin rengi koyu mavi olup, ağırlığı 10 gramdan azdır. Pilin üst yüzeyinde, pil tarafından üretilen akımı toplayacak ve malzemesi genellikle bakır olan ön kontaklar vardır. Bunlar negatif kontaklardır. Kontakların altında 150 mm kalınlığında, yansıma özelliği olmayan bir kaplama tabakası vardır. Bu tabaka olmazsa, silisyum, üzerine düşen ısınımın üçte birine yakın kısmını yansıtacaktır. Bu kaplama tabakası, pil yüzeyinden olan yansımayı önler. Pilin on yüzeyi, normal olarak yansıyan ışığın bir kısmını daha yakalayabilmek amacıyla, piramitler ve konikler şeklinde dizayn edilmiştir. Yansıtıcı olmayan kaplamanın altında, pilin elektrik akımının ortaya çıktığı yapı bulunur. Bu yapı, iki farklı katman halindedir. N-katmanı, fosfor atomları eklenmiş silisyumdan oluşan ve pilin negatif tarafını oluşturan katmandır. P-katmanı ise, bor atomları eklenmiş silisyumdan oluşmuş, pilin pozitif tarafıdır. İki katman arasında, P-N kavşağı denilen, pozitif ve negatif yüklü elektronların karşılaştığı bir bölge bulunur. Pilin arka yüzeyinde, elektronların girdiği pozitif kontak görevi gören arka kontak yer alır.
Üretilen piller, standart test koşullarında test edildikten sonra, tüketiciye sunulmaktadır. Ortam sıcaklığı 25 0C ortalama ışınım şiddeti 1000 W/m² vee Hava-Kütle oranı 1,5 olarak test koşulları belirlenmiştir. Hava-kütle oranı, güneş ışınımının geçirilme oranını gösteren atmosfer kalınlığıdır. Güneşin tam tepede olduğu durumda, bu oran, l olarak alınır. Atmosfer tarafından emilen ışınımın oranına bağlı olarak, pilin üreteceği elektrik miktarı da değişeceğinden, bu oran önemli bir parametredir.
Tipik bir silisyum güneş pili, 0.5 volt kadar elektrik üretebilir. Pilleri birbirine seri bağlayarak üretilen gerilim değerini arttırmak olasıdır. Genellikle, 30-36 adet güneş pili, 15-17 voltluk bir çıkış gücü vermek için birlikte bağlanabilir, ki bu voltaj değeri de, 12 voltluk bir aküyü şarj etmek için yeterlidir. Farklı çıkış güçleri verecek şekilde imal edilmiş, farklı büyüklüklerde güneş pilleri bulmak olasıdır. Silisyum pillerin seri bağlanması ile modüller, modüllerin birbirine bağlanması ile örgüler oluşur. Her modül, paralel veya seri bağlanabilmesine olanak verecek şekilde, bağlantı kutusuyla birlikte dizayn edilir.
Güneş pilinin kolayca kırılabilmesi ve ürettiği gerilimin çok düşük olması gibi, sakıncalarının giderilmesi gerekir. Pillerin birbirlerine bağlanması ile oluşan modüller koruyucu bir çerçeve içine alınmışlardır ve kullanılabilecek düzeyle gerilim üretirler. Modülde bulunan pil sayısı, çıkış gücünü belirler. Genellikle, 12 voltluk aküler işarj etmek için 30-36 adet silisyum güneş pilinin bağlanması ile bir modül oluşsa bile, daha yüksek çıkış güçleri için daha büyük modüller yapılabilir. En basit sistem, bir modül v ebuna bağlı bir akü veya elektrik motorundan oluşmuş bir sistemdir.
Modüllerin fiziksel ve elektriksel olarak bir araya getirilmesi ile oluşan yapıya panel adı verilir. Bir modülden elde edilen gücü arttırmak için başvurulan bir yapılanma biçimidir. Bu şekilde, çıkış gücü, 12,24,48 V veya daha yüksek olabilir. Birden fazla panelin kullanıldığı bir sistemde, paneller, kontrol cihazına veya akü grubuna, birlikte bağlanabilecekleri gibi, her panel tek olarak da bağlanabilir. Bu durumda, bakım kolaylığı olacaktır.
Sistemde kullanılan, fotovoltaik üreteçlerin tümünün oluşturduğu yapıya ise örgü denilmektedir. Örgünün çok büyük olduğu uygulamalarda, daha kolay yerleştirme ve çıkış kontrolü için sistem, alt-örgü gruplarına ayrılabilir. Örgü, bir modülden oluşabileceği gibi 100.000 veya daha fazla modülden de ulaşabilir.
