Fotovoltaik Enerji Sistemleri

Fotovoltaik Enerji Dönüşümü

Yazı Dizisi-20

Haluk Özgün

3.3.5 Yarı İletken Çeşitleri

Yarı iletkenler yapılarına eklenen maddelerde tek bir polarite gösterecek şekilde imal edilebilirler.Bu yarı iletkenler n ve p tipi olmak üzere ikiye ayrılır ve yapıdaki elektron veyaboşluk fazlalığı yarı iletkenin tipini belirler.

3.3.5.1 n-Tipi Yarı İletkenler

Periyodik cetvelin 5’inci grubunda bulunan As, P, Sb gibi metallerin Si yapıya eklenmesi ile oluşurlar. Silisli yapıya Arsenik eklemesi yapılacağını düşünürsek; Arsenik 5 valans elektrona sahiptir ve Silisyumun 4 valans elektronu vardır. Arsenik Silisyumun 4 elektronu ile bağ yaptıktan sonra bir valans elektronu dışarıda kalır. Bağ yapamayan bu valans elektronu As etrafındaki bir yörüngede dolaşır ve gerekli enerjinin verilmesi ile iletkenlik bandına geçiş yapar. Sistem bu fazlalık elektron nedeniyle n tipi yarı iletken olarak tanımlanır. Bu proses serbest dolaşan bir elektron fakat hareketsiz bir As+ iyonu yaratır. Arseniğin iletkenlik bandına elektron vermesinden dolayı da Arsenik atomuna bağışlayıcı atom denilir. Şekil-3.19 da Arsenik atomumun latis yapı içerisindeki konumu gösterilmiştir. [22]

Şekil-3.19: Arsenik atomunun Si ile yaptığı bağ ve serbest elektronun yörüngedeki hareketi.[22]

Saf bir yarı iletkenin iletkenlik bandına elektron transferini sağlamak için verilmesi gereken enerji değeri çok büyükken, As yüklenmiş n tipi bir yarı iletken için bu değer çok küçüktür. Şekil-3.20 de gösterildiği gibi As eklenmiş bir yarı iletkenin iyonizasyonu ile iletkenlik bandına elektron transfer etmesi için 0.03 eV kadar bir enerjiye gereksinim duyulmaktadır. Ortalama olarak oda koşulları atomların titreşmesini sağlayacak 0.07 eV termal enerjiyi sağlayabilmektedir. Bu nedenle As atomunun iletkenlik bandına elektron transfer etmesi saf bir yarı iletkeninkinden çok daha kolaydır.[22]

Şekil-3.20: Si yapıya 1 ppm As eklenmiş n tipi bir yarı iletkenin enerj

Şekil-3.20: Si yapıya 1 ppm As eklenmiş n tipi bir yarı iletkenin enerji bant diyagramı.[22]

3.3.5.2 p-Tipi Yarı İletkenler

Valans elektronu 3 olan metallerin Si kristal yapıya eklenmesi ile oluşurlar. Silis kristaline Bor eklendiğini düşünürsek;

Bor 3 valans elektronuna sahiptir ve Silisyumun 4 valans elektronu vardır. Bor Silisyumla bağ kurarken bağdaki elektronlardan birini yutar ve geride boşluk bırakır. Elektronların tünelleme yapması ile boşluk Bor atomu çevresinde bir yörünge oluşturur ve yeterli enerjinin verilmesi ile boşluk yörüngeden kurtulur. Yörüngeden kurtulan boşluk valans bandında serbest halde dolaşabilir hale gelir. Bu işlem sonucunda valans bandında serbest halde dolaşabilen bir boşluk oluşturur. Elektron yutarak boşluğun oluşmasına neden olduğu için Bor atomuna alıcı atom denilir. Şekil-3.21 de Bor atomumun latis yapı içerisindeki konumu gösterilmiştir.[22]

Şekil-3.21: (a) Bor atomunun bağdaki bir atomu yutması sonucu oluşan boşluk. (b) Boşluğun Bor atomu çevresindeki yörüngesi ve serbest hale geçişi.[22]

Şekil-3.22 de gösterildiği gibi B eklenmiş bir yarı iletkenin iyonizasyonu ile valans bandında boşluğun dolaşabilmesi için 0.05 eV kadar bir enerjiye gereksinim duyulmaktadır.
Ortalama olarak oda koşulları atomların titreşmesini sağlayacak 0.07 eV termal enerjiyi sağlayabilmektedir.[22]

Şekil-3.22: Si yapıya 1ppm B eklenmiş p tipi bir yarı iletkenin enerji bant diyagramı.[22]

Fotoelektrik etkinin nasıl çalıştığını anlamak için katı hal fiziğinin bize öğrettiklerini kısaca tanımlamaya çalıştım. Fotovoltaik sitemlerin temelini oluşturan fotovoltaik paneller
ve hücrelerin nasıl çalıştığını kavramak yukarıda anlatılanlar özümsenirse daha kalıcı olacaktır.[22]