GÜNEŞ HÜCRELERİ NASIL ÇALIŞIR
Güneş hücreleri olan hesap makinelerini muhtemelen görmüşsünüzdür. Bu hesap makineleri hiçbir zaman pile ihtiyaç duymazlar ve bazen kapama düğmeleri bile yoktur. Yeteri kadar ışık verirseniz sürekli çalışacaklarmış gibi görünürler. Acil yol işaretçilerinde veya arama kutularında , şamandıraların üzerinde bulunan geniş güneş panellerini görmüşsünüzdür. Bu panelleri hesap makinelerindeki kadar çok kullanılmasalar da onlar çoğu yerdeler ve nere bakacağını bildikten sonra bunları ayırt etmek çok da zor değildir. Elektrik sistemlerde güç sağlamak için kullanılan uydularda da güneş hücreleri bulunur.
Son 20 yıldır, bir gün hepimizin güneşten bedava elektriği kullanacağımızı ileri süren “güneş devrimi” hakkında bir şeyler duymuşsunuzdur. Güneşli parlak bir günde, gezegen yüzeyinin her metrekaresine güneş yaklaşık 1,000 watt lık enerjiyi yayacak ve biz bu enerjinin tamamını elde edebilirsek evlerimize ve ofislerimize bedava güç sağlayabileceğiz. Bu karşı konulamaz bir beklenti.

Bu makalede güneş hücrelerinin güneş enerjisini nasıl direk olarak elektriğe dönüştürdüğünü inceleyeceğiz. Bu süreçte, neden güneş enerjisini kullanmaya yakın olduğumuzu ve hala neden maliyetleri etkili kılabilmek için çok fazla araştırmamız olduğunu öğreneceksiniz.
FOTONLARI ELEKTRONLARA DÖNÜŞTÜRME
Hesap makinelerinde ve uydularda gördüğünüz güneş hücreleri fotovoltaj hücreleri veya bunların bileşiminden oluşan modüllerdir. Fotovoltaj, kelimelerden de anlaşılacağı gibi
(foto =ışık, voltaj=elektrik), güneş ışığını direk olarak elektriğe çevirir. Fotovoltajlar önceden nerdeyse sadece uzayda, çok daha az egzotik alanlarda kullanılırdı. Hatta evinize güç sağlayabilirdi. Peki bu aygıtlar nasıl çalışır?
Fotovoltaj hücreler,şu anda en sık kullanılan silisyum gibi yarıiletken olarak adlandırılan özel maddelerden yapılmışlardır. Temelde, ışık hücrelere çarptığında ışığın büyük bir kısmı yarıiletken içinde soğurulur. Yani soğurulan ışığın enerjisi yarıiletkene aktarılır. Elektronlara çarpan enerji onların serbestçe hareket etmesine izin verir. Fotovoltaj hücrelerinin hepsi, ışık soğurmasıyla serbest bırakılmış elektronları, kesin bir yöne akmaya zorlayan bir veya daha fazla elektrik alanına sahiptir. Elektronların bu hareketi bir akımdır ve fotovoltaj hücrelerinin başındaki ve sonundaki metal bağlantısını gerçekleştirerek, akımı fotovoltaj hücrelerinin dışına çekerek kullanabiliriz. Örneğin bu akım hesap makinelerine güç sağlayabilir. Bu akım hücrenin voltajıyla(hücrenin elektrik alanın sonucu oluşan voltaj) birlikte güneş hücrelerinin üretebileceği gücü ifade eder.
Temel süreç budur fakat gerçekte süreç bu temelden daha fazlasını içermektedir. Fotovoltaj hücrelerinin bir örneğini daha ayrıntılı inceleyelim: Tek kristal silisyum hücreleri.
SİLİSYUM
Silisyumun, özellikle kristal formunda özel kimyasal nitelikleri vardır.silisyumun her bir atomunun üç farklı tabakaya dizilmiş 14 atomu vardır. Çekirdeğe yakın olan ilk iki tabaka tamamen dolmuş durumdadır. Dış tabakanın yarı dolu olmasına rağmen sadece 4 elektronu vardır.bir silisyum atomu her zaman son tabakasını doldurmanın yollarını arar(8 elektrona tamamlamak ister). Bunu yapmak için de komşu dört silisyum atomuyla elektronlarını paylaşır. Bu her atomun komşu atomları tutabileceği 4 elinin olmasına benzer. Kristal yapı sonunda fotovoltaj hücrenin bu tipinde önem kazanır.
Saf silisyum
bakırdaki gibi iletimde taşınabilecek bir elektronunun olmadığı için zayıf bir
iletkendir. Bunun yerine elektronlar kristal yapı içinde hapsedilmişlerdir.
Silisyum, güneş hücrelerinde, güneş hücresi olarak çalışabilmesi için biraz
değiştirilmiştir.
GÜNEŞ PİLLERİNDE SİLİSYUM
Güneş pilleri kirli silikona sahiptir. — diğer atomları, silisyum atomlarıyla karıştırmak,işlerin işleyişi biraz değiştirir. Biz genellikle kirliliğin istenmeyen bir şey olduğunu düşünürüz, ama bu durumda, bizim hücremiz, onlar olmadan çalışmayacaktı. Bu kirlilikler gerçekte, kasıtlı olarak oraya koyulur. Her milyon silisyum atomu için orada burada,birer fosfor atomu düşünelim. Fosforun dış kabuğunda,dört değil beş elektronu olmasına rağmen komşu silikon atomlarıyla bağ yapar, ama , fosforun, bağ kuramayan bir elektronu vardır . O, bir bağın parçasını oluşturmaz, ama, onu yerinde tutan fosforlu özde pozitif bir proton vardır.
Enerji, saf silisyuma eklendiği zaman, örneğin sıcaklığın formunda, bu, birkaç elektronun bağlarını kırıp,atomlarından ayrılmasına sebep olabilir.Böyle her olay sonrasında geride bir delik kalır. Daha sonra bu elektronlar, düşecek başka bir delik bulabilmek için kristal kafesin etrafında rasgele dolaşırlar. Bu elektronlara, özgür taşıyıcılar denir, ve elektrik akımını taşıyabilirler. Saf silisyumda bunlardan çok az olmasına rağmen çok kullanışlı değillerdir. Karıştırılan fosforlu atomlarla bizim kirli silisyumumuz, farklı bir hikayedir. "Fazladan" fosforlu elektronların birinin gevşekçe vurması çok daha az enerji alır çünkü onlar, bir bağda bağlanmaz — onların komşuları, onları kontrol etmiyor. Sonuç olarak, bu elektronların çoğu, özgür kalır, ve saf silisyumda sahip olacak olduğumuzdan çok daha özgür taşıyıcımız olur. Kasıtlı olarak kirlilikleri ekleme yöntemine doping denir.Fosforla karıştırıldığında oluşan silisyuma özgür elektronların yaygınlığından dolayı N-tip (‘n’ negatif için) denir. N-tip, silisyum, saf silisyumdan çok daha iyi bir iletkendir .
N_tip güneş pilimizin sadece bir parçasıdır. Diğer parça, dış kabuğunda dört yerine sadece üç elektrona sahip olan borla karıştırılır,ve P_Tipi silisyum olur.P_Tipi silisyumun özgür elektronlar yerine delikleri vardır.Delikler elektronların yokluğudur böylece ters yük taşırlar.. Onlar sadece,elektronlar gibi hareket eder.
N-TİP ARTI
P_TİP SİLİSYUM
İlginç parça,N-tip silisyum P-tip silisyumla bir araya konduğu zaman başlar.. Her PV hücresinin, en azından bir elektrik alanı olduğunu hatırlayalım.Elektrik alanı olmadan, hücre, çalışmaz ve bu alan, N-tip ve P-tip silisyumunun, temasta olduğu zaman oluşur. Kendisine, düşmek için her yerde delik arayan N kenarındaki boş elektronlar P kenarında bütün delikleri görür, ve, onları doldurmak için büyük bir acele vardır.
Daha önce, silisyum, bütünüyle nötrdü. Fazla elektronlar, fosfordaki fazla protonlarla dengelendiler.Kayıp elektronlar (Delikler),bordaki kayıp protonlarla dengelendi. Delikler ve elektronlar, N-tip ve P-tip silisyumunun arasında jonksiyonda karıştırdığı zaman,nötr hal, karışır. Bütün özgür elektronlar, bütün özgür delikleri doldurur mu? Hayır. Eğer öyle olsaydı,düzenleme çok faydalı olmayacaktı.Buna rağmen bunlar jonksiyonda karıştırır, ve elektronların N tarafından P tarafına geçmesini çok zorlaştıracak bir bariyer oluşturur. Sonunda, dengeye ulaşılır, ve iki kenarı ayıran bir elektrik alanı oluşur.
|
|
|
|
Bu elektrik alanı, bir diyot olarak görev yapar,elektronların P tarafından N tarafına akmasına izin verir ama tersi yöne izin vermez. Bir tepe gibidir — elektronlar kolayca, (N kenarına) tepeden düşebilir, ama ona tırmanamaz (P kenarına).
Yani, kendisinde elektronların sadece, bir yönde hareket edebildiği bir diyot olarak görev yapan bir elektrik alanı vardır.
IŞIK HÜCREYE ÇARPTIĞINDA
Işık, fotonların formunda,güneş piline çarptığında,enerjisi, elektron-delik çiftlerini özgür bırakır.
Yeterli enerjiyle her foton normal olarak, tam olarak bir elektronu özgür bırakacak, ve özgür bir delikle de sonuçlanacak. Eğer bu, elektrik alanına yeteri kadar yakın olursa, veya, eğer özgür elektron ve özgür delik, onun etki sahasında dolaşacak olursa,elektrik alanı, N kenarına elektronu ve P kenarına deliği yollayacaktır. Bu,elektrik nötrlüğünün daha fazla karıştırmasına sebep olur, ve eğer,başka bir akım yolu sağlarsak, elektronlar,yol boyunca iş yaparak,elektrik alanının, oraya yolladığı deliklerle (P kenarı) birleşmek için orijinal taraflarına giden yol boyunca akacaklar.Elektron akışı,akımı sağlar, ve hücrenin elektrik alanı, bir voltaja sebep olur.Akım ve voltajla, ikisinin ürünü olan gücümüz oluşur
.

PV hücresi, ne kadar güneş ışığı enerjisini içine çeker? Maalesef, bizim basit hücremizin, içine çekebildiği en çok enerji, yüzde 25 kadardır, ve daha muhtemel olarak, yüzde 15 veya daha azdır.
ENERJİ KAYBI
Güneş pili,neden
güneş enerjisinin sadece yüzde 15 kadarını içine çeker? Görünür ışık, sadece
elektromanyetik spektrumun parçasıdır. Elektromanyetik radyasyon, monokromatik
değildir — farklı menzildeki dalga boylarından ve buna göre farklı enerji
seviyelerinden oluşur. (elektromanyetik tayfın iyi bir tartışması için özel
izafetin nasıl çalıştığını gör.)
Işık, farklı dalga boylarına ayrılabilir, bir gökkuşağının formunda bunu görebiliriz.Hücreye ışık vurduktan sonra hücredeki geniş menzilde enerji sahibi fotonların,bir kısmının, bir elektron-delik çiftini oluşturması için yeterli enerjiye sahip olmadığı görülür. Onlar ,saydam gibi, kolayca, hücre boyunca geçerler.Hala diğer fotonların, çok fazla enerjisi vardır. Sadece enerjinin önemli bir miktarı, (EV) elektron voltlarında ölçülür, ve (Kristal silisyum için 1.1 eV civarında)hücre malzemesi olarak tanımlanır, bir elektrona gevşekçe vurmak için gereklidir.Bu bir malzemenin bant aralık enerjisi olarak adlandırılır. Eğer bir fotonun, daha gereken miktardan daha fazla enerjisi varsa, sonra fazla enerji, kaybolur (Eğer bir fotonun, iki kat gerekli enerjisi varsa, ve bir elektron-delik çiftinden daha çok yaratabilir,ama bu etki,dikkate alınmaz). Bu iki etki hücrede radyasyon enerjisi kaybının yüzde 70i'ni oluşturur.
Neden gerçekten düşük bir bant aralığına sahip bir materyal seçip daha çok foton kullanamıyoruz?Maalesef, bant aralığı elektrik alanının kuvvetine karar verir, ve, eğer,çok alçaksa,fazla akımda (Fotonu daha çok içine çekerek) da yapıldığı gibi,küçük bir voltaja geçerek alanı kaybederiz. Gücün, voltaj çarpı akım olduğunu hatırlayalım.Basit bir maddeden yapılmış bir pilde bu iki etkiyi dengeleyen optimal bant aralığı 1.4 eV civarındadır.
Bir de, diğer kayıplar var.Elektronlar, dış bir devir boyunca hücrenin bir kenarından diğer kenarına akmak zorundadır.İyi iletim için bir metalle alt tarafı kaplayabiliriz, ama eğer üstünü tamamen örtersek,fotonlar, opak iletken boyunca geçemez, ve akımımızın hepsini kaybederiz (Bazı hücrelerde, saydam iletkenler, en üst yüzeyde kullanılır, ama tümünde değil). Eğer sadece hücrenin kenarlarına temas ettirirsek ,elektronlar temaslara (Bir elektron için) uzanmak için çok uzun bir mesafe yolculuk yapmak zorunda kalır.Silisyumun, bir yarıiletken olduğunu hatırlarsak —akımı taşımak için bir metal kadar iyi değildir.İç direnci (seri direnç olarak adlandırılır), çok yüksektir, ve yüksek direnç, yüksek kayıplar anlamına gelir. Bu kayıpları en aza indirmek için hücre, elektronların, yolculuk yapmak zorunda olduğu mesafeyi kısaltan metalik bir temas parmaklığı ile örtülür.Böylece bazı fotonlar çok küçük olmayan veya kendi direnci çok büyük olan ızgara tarafından bloke edilir.
HÜCREYİ BİTİRMEK
Hücremizi bitirmeye çok az adım kaldı.Silisyumun,çok yansıtıcı olduğunu ifade eden çok parlak bir malzemesi vardır. Yansıtılan fotonlar,hücre tarafından kullanılamaz.Bu sebeple, yıllık anti yansıtıcı kaplama, hücrenin sinyaline yansıtma kayıplarını en aza indirmek için uygulanır.
Son adım, hücreyi dış etkenlerden koruyan cam örtü sandalı olduğudur. İfade modülleri, çeşitli kullanışlı voltaj ve akım seviyeleri meydana getirmek için birkaç hücreyi seri ve paralel bağlayarak yapılır (Genellikle 36),bu çerçeve cam kaplı ve,arkada pozitif ve negatif terminallerle tamamlanır.
|
|
|
|
Bireysel çengel silisyum ifade hücrelerinde kullanılan tek malzeme değildir.Verimli hücrelerin belirli bireysel en üstün çengel silikon olmamasına rağmen, çok kristalli silisyum da yıl denemesinde fiyatları azaltmak için kullanılır. Hiçbir yapının olmadığı kristale sahip olan biçimsiz silisyum da,yine yıl denemesinde üretim fiyatını azaltmak için kullanılır. Kullanılan diğer malzemeler, galyumu arsenit, bakır rengi indium diselenit ve kadmiyum tellurittir. Farklı malzemeler farklı bant aralıklarını kestiğinden beri bunlar; farklı dalga boylarına "Ayarlanmış" olarak görünür, ama farklı enerjilerin fotonlarıdırlar.Verimlilik için geliştirilen bir başka yol da farklı bant aralıklarıyla farklı malzemelerin iki altın ince tabakalarının kullanılmasıdır.Yüksek bant aralık malzemesi,yüksek enerji fotonlarını içine çekerken düşük enerji fotonlarının alttaki düşük bant aralık malzemesi tarafından emilmesine izin veren bir yüzeydir. Bu teknik, çok daha yüksek verimlilikle sonuçlanır. Böyle hücreler,multi_jonksiyon hücreleri olarak adlandırılır, bu kenar, birden daha çok elektrik alan keser.
EVLERE ENERJİ KAYNAĞI SAĞLAMAK
Fotovoltaj ile ne yapabiliriz? Evimize güneş enerjisiyle güç sağlamak için ne yapmanız gerekir? Modülleri çatınıza kurmak kadar kolay olmasa da onu yapmanız çok zor değildir.
İlk olarak, her çatı güneş enerjisinden yararlanabilmek için doğru bir yönelim veya eğim açısına sahip değildir. Kuzey yarımkürede fotovoltaj sistemleri güneye yönlendirilmeliler. Yılda maksimum enerjiyi soğurabilmek için bölgenin enlemine eşit bir açıyla yönlendirilmeliler. Yaz veya kış ve sabah veya öğlen farklılıklarında enerji üretimini en üst seviyeye çıkarmak isterseniz farklı bir yönelim veya eğim kullanabilirsiniz. Modüller bir günün veya yılın belli bir zaman dilimde ağaçlarla veya binalarla gölgelendirilmemeliler. Fotovoltaj modüllerinin sadece 36 hücresi gölgelense bile güç üretiminin yarıdan fazlası düşer. Gölgede kalmayan bir eviniz ve güneye bakan bir çatınız varsa, ne tür bir sisteme ihtiyaç duyduğunuza karar vermelisiniz. Bu karar , elektrik üretiminizin hiçbir zaman tahmin edilemeyen hava şartlarına bağlı olduğu gerçeğiyle ve elektriğe olan talebiniz değişebileceği gerçeğiyle karmaşıklaşmıştır. Bu engelleri aşmak oldukça kolaydır. Meteorolojik bilgi farklı coğrafik bölgelerin aylık güneş ışığı seviyelerinin ortalamasını verir ve bu hem yağmurlu ve bulutlu günlerin hem de yükseklik , nem ve diğer engelleyici faktörleri göz önünde bulundurur. Bütün bir yıl boyunca yeterli elektriğinizin olması için en kötü ayın şartlarına göre kurulumunuzu yapmalısınız.bu verilerle ve ev halkının enerji ihtiyacını bilerek (faturanız aylık ne kadar enerji kullandığınızı bilmenizi sağlar), ne kadar fotovoltaj modülüne ihtiyaç duyduğunuzu tayin etmek için kullanabileceğiniz yöntemler bulunmaktadır.
Kaç tane modülü seri bağlayacağınıza karar vererek kontrol edebileceğiniz sistem voltajı için de karar vermek zorundasınız.
ENGELLER
Çözmemiz gereken birkaç problemi tahmin etmiş olmalısınız. İlk olarak, güneş parlamıyorsa ne yaparız? Seçme şansları olsa kimse sadece gün esnasında ve sadece güneşli günlerde elektriğe sahip olmak istemez. Pillerde olduğu gibi enerji depolamamız gerekir. Fakat ne yazık ki piller fotovoltaj sistemine bir çok ek masraf ve bakımı beraberinde getirir. Problem çözümünde bir yol ise evinize, enerjiye ihtiyacınız olduğunda satın almanızı, ihtiyacınızdan fazla ürettiğinizde ise satmanızı sağlayan bir sistem olan utility grid bağlamaktır. Bu şekilde, utility, pratik olarak sınırsız bir depolama sistemi olarak görev yapar.(…….). Sattığınız enerjinin diğerlerininkiyle eş zamanlı olduğundan emin olmanız ve aynı sinüzoidal dalga şekline ve frekansa sahip olduğundan emin olmanız için özel ekipmanlara ihtiyacınız olacak. Güvenlik de önemli bir sorundur. Unility sistemi, komşularınızda enerji kaybı olursa fotovoltaj sisteminizin hat’a enerji vermeyeceğinden emin olması gerekir.
Pilleri kullanmaya karar verdiyseniz şunu unutmayın ki
piller korunmalı ve yılın belirli zamanlarında değiştirilmeliler. Fotovoltaj modülleri 20 yıl veya üzerinde bir sürede
kullanılabilirler fakat pillerin bu kadar süre kullanımda kalamazlar. Üstelik fotovoltaj sistemindeki piller depoladıkları enerjiden
dolayı ve içerdikleri asidik elektrolitlerden dolayı çok tehlikeli olabilirler.
Bu yüzden piller için iyi havalandırılan ve metalik olmayan kabinlere
ihtiyacınız olacaktır.
DERİN DÖNÜŞÜM PİLLERİ
Fotovoltaj sistemlerinde ne tür piller kullanılır? Bir çok farklı türde kullanılmasına karşın, kullanılması gereken derin çevrim pil karakteristiğidir. Sığ çevrim pili olan araba akülerinden farklı olarak derin çevrim pilleri depoladıkları enerjiden fazlasını boşaltabilirler. Araba aküleri arabanızı çalıştırmak için ve siz arabayı kullanırken çok kısa bir sürede çok yüksek bir akımı boşaltır. Fotovoltaj pilleri genellikle, gün boyu şarj olurken az miktarda bir akımı da uzun bir zaman diliminde(örneğin bir gecede) boşaltmak zorundadır.
Derin çevrim pillerinin en sık kullanılanları kurşun asit pilleri ve nikel kadmiyum pilleridir. Nikel kadmiyum pilleri daha pahalıdır fakat daha uzun ömürlüdür ve zarar vermeden tam olarak boşaltılabilirler. Derin çevrim, kurşun asit pilleri %100 boşaltılamazlar ve genellikle fotovoltaj sistemleri kurşun asit pillerinin en fazla %40 veya %50 oranında boşaltılabilmesi için tasarlanmışlardır.
Aynı zamanda pillerin kullanımı yükleme denetleyicisi gerektirmektedir. Piller çok fazla yüklenmemiş veya boşalmamışlar ise uzun süre kullanılabilirler. Bunu yükleme denetleyicileri sağlar. Piller tam dolu ise yükleme denetleyicileri akımın fotovoltaj modüllerinden pillere akmasını engeller. Piller önceden belirlenmiş bir seviyede boşaltılmışlarsa pil voltajı ile kontrol edilebilirler, birçok yükleme denetleyicileri piller tekrar yüklenene kadar akım akmasına izin vermez. Yükleme denetleyicisi kullanımı uzun pil ömrü için gereklidir.
DOĞRU AKIMI ALTERNATİF AKIMA DÖNÜŞTÜRME
Diğer bir sorun ise fotovoltaj modüllerinde üretilen ve pillerinizden elde
edilen elektrik doğru akım elektriğidir, buna karşın sizin evinizde
kullandığınız bütün aletler alternatif akımla çalışır. Doğru akımı alternatif
akıma çeviren bir dönüştürücüye ihtiyacınız olacaktır. Bir çok dönüştürücü
sisteminizi otomatik olarak kontrol etmenize olanak sağlar. Bazı AC
modüllerinin önceden dönüştürücüleri vardır.

……
elektrik kodlarının takip edilmesi ve kurulumu fotovoltajda
tecrübesi olan lisanslı bir elektrikçiye yaptırılması gerekir Bir defa kurulumu
yapılan bir PV sistemi, (Özellikle hiçbir pil kullanılmazsa) çok az bakım
gerektirir, ve 20 yıl boyunca veya daha uzun süre elektriği temiz bir şekilde
sağlar.
Fotovoltaj sistemi bu kadar mükemmel bedava enerji kaynağı ise neden
tüm dünya güneş enerjisini kullanmıyor? Güneş enerjisi bedava iken fotovoltaj sistemleri ile üretilen elektrik bedava
değildir. Tartışmamızdan anlayacağınız gibi fotovoltaj
sistemleri az da olsa donanım gerektiriyor. Şu anda bir fotovoltaj
sisteminin watt başına 9 dolar maliyeti vardır. Bir
ev sisteminin ne kadar maliyeti olduğu hakkında bilgi vermek adına PV sistemi
North Caroline güneş merkezi tarafından kurulmuş
model eve bakalım. Oldukça küçük olan bu evin 3.6kW luk
fotovoltaj sisteminin elektrik ihtiyacının yarısını
karşılayacağı tahmin ediliyor(bu sistemde pil kullanılmıyor ve elektrik
şebekesiyle bağlanmıştır). Watt başına 9 dolar olsa
bile bu sistem kurulumu size 32 000 dolara mal olur
Fotovoltaj sistemlerinin çok az bir alanda kullanılmasının sebebi
budur. Araştırmalar sürdükçe fiyatlar düşecektir. Araştırmacılar bir gün fotovoltajın ev elektriğinde ve kontrol alanında daha ucuza
mal edileceğinden tereddüt etmiyorlar. Bir diğer sorun ise üretim
ihtiyaçlarının maliyetini mümkün olduğu kadar azaltmak için geniş bir ölçekte
yapılmasıdır. Fiyatlar rekabet edilen düzeye düşmedikçe bu tür talepler
olmayacaktır. Böyle olmasına rağmen talepler ve modül verimliliği gittikçe
artıyor ve fiyatlar düşüyor ve böylelikle dünya gittikçe güç kaynaklarıyla
ilgili çevresel meselelerden haberdar oluyor ve fotovoltaj
teknolojisini parlak bir geleceğe taşıyor.