Fotovoltaik Enerji Sistemleri Yazı Dizisi-21

Fotovoltaik Enerji Sistemleri

Fotovoltaik Enerji Dönüşümü

Yazı Dizisi-21

Haluk Özgün

3.4 Fotovoltaik Hücreler

Kristal yapıdaki fotovoltaik hücreler n ve p tipi yarı iletkenlerin bir araya getirilmesi ile elde edilen yapılardır. Mekanizmanın nasıl çalıştığı Şekil-3.23 de gösterilmektedir.

n ve p tipi yarı iletkenler bir araya getirildiklerinde bağlantı noktasında yükten arındırılmış geçiş bağlantı bölgesi oluştururlar. Birleşme ile birlikte n tipi yarı iletkendeki elektronların bir kısmı         p tipi yarı iletkendeki boşluklara doğru, p tipi yarı iletkendeki boşlukların bir kısmı ise n tipi yarı iletkene doğru akarlar. Geçiş bölgesindeki n nin birleşme yüzeyi (+) ve p nin birleşme yüzeyi (-) olur. Ve bir ters gerilim bloğu meydana gelir. Elektron ve boşluk difüzyonu belirli bir süre gerçekleşir ve geçiş bölgesindeki elektriksel potansiyelin artması ile difüzyon sonlanır.

Oluşturduğumuz p-n yarı iletkenini ışığa maruz bırakırsak, yarı iletken içindeki elektronlar fotonları absorbe ederler. Fotonun sahip olduğu enerji elektron bağlarını kırarak elektronun serbest kalmasını sağlar. Serbest kalan elektron geçiş bölgesinde oluşturulmuş olan elektrik alanın etkisi ile n- tipi yarı iletkenin olduğu bölgeye doğru hareket eder. Buna karşın oluşan boşluk da p- tipi yarı iletkeninin olduğu bölgeye doğru hareket eder. Oluşulan bu etkiye fotovoltaik efekt denir. Yüklerin birbirinden ayrılması ve fotovoltaik hücrenin kontak bölgelerine ulaşması ile voltaj üretilmiş olur. Yüksüz durumda fotovoltaik hücrenin kontakları arasında açık devre voltajı okunur. Elektrik devresi bir yük ile tamamlandığında ise devreden akım akması sağlanmış olur.

Bazı elektronlar uyarılmalarına karşın kontaklara ulaşmazlar ve rekombinasyon gerçekleşir. Rekombinasyonu tanımlamak gerekirse; fotonun verdiği enerji ile serbest kalmış bir elektronun kontaklara ulaşıncaya kadar sahip olduğu enerjiyi koruyamaması ve bir boşlukla birleşerek yok olması olayına denir. Kontaklara yeterli düzeyde elektron ulaşamadığında elektrik üretimi gerçekleşemez. Bu durumda kristal yapı içerisindeki dopingler ne kadar çok olursa, elektronun hayatta kalma süresi o derece uzayacak ve elektronların kontaklara ulaşma olasılığı artacaktır. Geçiş bölgesinde elektron – boşluk çiftlerinin rekombinasyona maruz kalmadan oluşum yüzdesi oldukça yüksektir. Geçiş bölgesinden uzaklaşıldıkça rekombinasyona uğrama yüzdesi artmaktadır.

Kristal yapıdaki bir fotovoltaik hücrenin n ve p tipi yarıiletken tabakadan oluştuğunu söylemiştik. Bu tabakalardan güneşi doğrudan alan üst tabaka negatif yüklü n- tipi yarı iletken tabakadır. Bu tabakanın altında p-tipi yarı iletken taban mevcuttur. Fotonun enerjisi ve geçiş bölgesinde oluşturulmuş olan elektrik alanın etkisi ile elektron- boşluk çifti oluşturulur. Elektronların n-tipi yarı iletken tabakadan toplanabilmesi için ağaç şeklinde taranmış gümüş kontaklara ihtiyaç duyarlar. Dizayn aşamasında bu gümüş kontakların güneşten gelen fotonların etkisini azaltmayacak optimizasyonda yüzeye uygulanmış olması esastır. Şekil-3.24 de görüldüğü gibi bir solar hücre üzerinde 4 farklı durum gözükmektedir. Bunlardan birincisi elektron-boşluk çiftlerinin oluşumu, ikincisi rekombinasyon, üçüncüsü yararlı enerji dönüşümünde kullanılamayan foton, dördüncüsü kontakların yarattığı yansıma ve gölgeleme etkisidir.

Daha önce açıkladığımız elektron-boşluk oluşumu ve rekombinasyon olayları dışında hücrede yüksek ve düşük frekanslı elektromanyetik dalgaların yararlı enerji dönüşümünde kullanılamadığı belirtilebilir.

Aşağıda fotovoltaik hücrede oluşabilecek kayıplar yüzdelik olarak verilmiştir.
Güneş enerjisi %100
%3 kayıp yansıma ve gölgeleme etkisi
%23 düşük enerjiye sahip uzun dalga radyasyonu
%32 yüksek enerjiye sahip kısa dalga radyasyonu
%8.5 rekombinasyon kayıpları
%19 özellikle geçiş bölgesinde oluşan potansiyel fark
%0.5 ohmik kayıplar

=%14 elde edilebilir elektrik enerjisi

Yukarıda verilen yüzde değerler kristal paneller için genel bir değerlendirme olup üreticiler araştırma geliştirme çalışmaları sonunda verim yukarıya çekmeye çalışmaktadırlar. Konvansiyonel olarak üretilen panellerin verimi genel olarak %14 – %15 düzeylerinde olup çok daha yüksek verimli hücrelerden üretilen yüksek maliyetli panellerde bulunmaktadır.

Fotovoltaik paneller, fotovoltaik hücrelerin birleşiminden meydana gelmektedir ve bu hücreler farklılıklar göstermektedir. Panellerin verimlilikleri kullanılan fotovoltaik malzemelerin
cinsine göre değişmektedir. Hücre tiplerine göre sınıflandırma Şekil-3.25 verilmektedir.

Yukarıda verilen sınıflandırma piyasada en yaygın olarak kullanılan panellerin hangi tip hücre teknolojisini kullandığını göstermektedir. Verimlilik olarak büyükten küçüğe bir sıralama yapacak olursak;

Hibrit hücreler, monokristal hücreler, polikristal hücreler ve ince film hücre çeşitleri şeklinde olacaktır. Duruma göre hibrit hücrelerin verimleri monokristal hücrelerden yüksek olabilmektedir. Teknoloji hızlı geliştiği için en kesin çözüm panel üreticilerinin vermiş olduğu teknik dökümanları incelemektir. Bu sıralama ve değerler gelecekte değişecektir.

Kurulumun yapılacağı alanda metrekarede maksimum güç sağlanması isteniyor ise yukarıda verilen sıralamanın aynısı geçerlidir. Piyasada bulunan teknolojilerin verim değerlerinin
karşılaştırılması NREL tarafından yapılmış olup Tablo-3.2 de verilmektedir.

NREL tarafından verilen bu tablodan incelendiğinde hücre verimlerinin %44 seviyelerin çıktığı görülmektedir. Verim değerleri çok yüksek olan bu hücreleri piyasada bulmak mümkün değildir. Bu hücreler genelde uzay çalışmalarında kullanılan ve çok yüksek maliyetli ürünlerdir. Üretim kapasiteleri de oldukça kısıtlıdır. Evlerde ve endüstride kullanılabilecek ekonomik değerleri uygun olan hücreler %18 ve daha düşük verime sahip olanlarıdır.

Yüksek saflıkta silikondan fotovoltaik panellere toplam 5 adımda nasıl ulaşıldığı Şekil-3.26’da verilmiştir.

Yüksek saflıkta silikon potalarda eritilerek akışkan hale getirilir. Bundan sonra ya ingot  oluşumu ile monokristal blok veya artık kristallerin eritilip soğutulması ile polikristal blok elde edilir. Bu blokların kesimi ile silikon levhalar elde edilir. Bu levhalar kimyasal olarak işlenerek yüzey alanları arttırılır ve güneş ışınlarını tutma yüzdeleri arttırılır. Fotovoltaik hücrenin yüzeyi bal peteği şeklinde işlenmiştir. Şekil-3.28 de verilen hücrenin verimi %18.9 dır.

Yüzey işleme bittikten sonra fotovoltaik hücre üstünde elektronların ilerleyebilmesi için ızgara elektrotlar ve bu elektrotları birleştiren busbar elektrotlar hücre üzerine yerleştirilir.

Genel olarak bir Monokristal ve Polikristal hücrenin görünümü Şekil-3.29 de verilmektedir.

Şekil-3.29 de görüleceği gibi monokristal hücreler polikristal hücrelere göre daha koyu renktedir. Monokristal hücreler tekbir blok halinde üretilmiştirler ve bu nedenle kristal yapısı polikristal hücreye göre daha homojendir. Buna karşın polikristal bir hücre kırçıllı görülmektedir. Monokristal hücrelerin köşeleri kesiktir.

Bundan sonraki yazı dizimizde “ Fotovoltaik Enerji Sistemleri- Şebeke Bağlantılı Sistemler ” anlatılacaktır.

Bu kitabın yayını için izin veren  Sn. Haluk Özgün ve GÜNDER ‘e  ( Uluslararası Güneş Enerjisi Topluluğu Türkiye Bölümü)  Elektrik Tesisat Portalı olarak  içtenlikle teşekkür ederiz

2018-05-20T17:45:17+00:00

Elektrik Tesisat Portalı

Güncel makalelerimizden haberdar olmak için üye olun!
E-Posta Adresiniz
Güvenli