Fotovoltaik Enerji Sistemleri

Fotovoltaik Enerji Dönüşümü

Yazı Dizisi-18

Haluk Özgün

3.3 Fotovoltaik Enerji Dönüşümü

Fotovoltaik hücreler ışığı direk olarak elektrik enerjisine çeviren yarı iletkenden üretilmiş malzemelerdir. Piyasada en yaygın olan fotovoltaik hücreler kristal tipte olan yarı iletkenlerden
oluşturulmuş hücrelerdir. Peki fotovoltaik hücreler nasıl çalışır? Bu sorunun yanıtını verebilmek için öncelikle fotovoltaik hücrelerin hangi malzemelerden üretilmiş olduklarına ve güneş ışığı altında bu malzemelerin nasıl tepki verdiğini açıklamak gerekir.

3.3.1 Malzeme Bilgisi ve Yapısal Temeller

Elektriksel ve termal iletim başta olmak üzere iletkenlik ve iletim kavramlarını bilmek fotovoltaik sistemin çalışma prensiplerini anlamada bizlere büyük kolaylık sağlar.Elektriksel ve termal iletkenlik konusunda malzemelerin gösterdiği tepkiler farklılıklar göstermektedir. Bu malzemelerin en küçük yapı birimi olan atomlarından ve onların uzayda dizilişleri ile oluşturdukları geometrilerin incelenmesi, iletkenler ve yarı iletkenler için yapacağımız teorik çalışmaların başlangıç noktası olmalıdır.

Katıların modern teorisi, enerji bant teorisi ve katıların uzaydaki enerji bant dizilişlerine göre yorumlamaları yapılır.

3.3.2 Elektriksel ve Termal İletkenlik

Elektriksel ve termal iletkenlik özellikleri iletkenler ve yarı iletkenlerde farklılıklar göstermektedir. İletkenliğin nasıl değiştiği, klasik teori ve modern katılar teorisi olmak üzere iki yaklaşım altında incelenecektir.

3.3.2.1 Metallerde Elektriksel İletkenlik

Örnek olarak bakır metalini ele alacak olursak tek bir valans elektronuna sahip olup, en dış yörüngede bulunan bu elektron bakır atomuna çok zayıf bağlanmıştır. Valans elektronları pozitif CU+ iyonları etrafında bir elektron bulutu oluşturacak şekilde yapı içerisinde serbest halde dolaşırlar. Elektrik akımı bu elektron bulutu içerisinde bulunan elektronlar tarafından iletilir. Oda koşulları ile termal dengede olan bir bakır çubuk düşünüldüğünde elektronlar metal içerisinde rasgele hareket ederler, net bir yönelim söz konusu değildir. Rasgele yönlenmiş elektronlar yapı içinde sahip oldukları hızları ve yönleri dışında merkez atomların termal etkiden dolayı yaptıkları titreşimlerden, kristal yapı içindeki bozukluklardan ve yapıdaki safsızlıklardan etkilenirler ve çarpışmalar sonucunda yönlerinde ve enerjilerinde değişmeler yaşanır. Bakır çubukta termal etkiyi arttırdığımızda elektronların hızları ve merkez atomların titreşim yarıçapları artsa da yine elektriksel yönden net bir yönelim yoktur.[22]

Elektronların yönelmesi bakır çubuğun uçları arasında potansiyel fark yaratacak bir gerilim kaynağının bağlanması ile sağlanabilir. Gerilim kaynağının polaritesine göre elektronlar sağa veya sola doğru yönlenirler.[22]





Şekil-3.11 (a) da elektronların iletken malzeme içerisinde rastgele yaptıkları salımlar görülmektedir. Şekil-3.11 (b) de ise Ex elektrik alanı bu salınımlara yön vermekte ve anlamlı bir yönelim sağlanmaktadır.[22]



İletken malzeme içerisindeki elektron Ex elektriksel alanı içerisinde çarpışmalar ve yön değiştirmeler sonucu pozitif yönde rasgele hareketlerle net olarak belli bir mesafe kat edecektir. Bu yönlenmeyi olumsuz etkileyen faktörler olarak termal yönden uyarılan merkez atomların çok büyük salınımlar yapması, iletkendeki saflığı bozan yabancı maddeler ve kristal yapı bozuklukları olarak sıralayabiliriz. X yönünde Ex alanı uygulandığında elektronların sürüklenme hızı ifade 3.8 gibi gösterilir.[22]







L mesafesi termal elektronun iki atom arasında alabileceği ortalama serbest yol, u hızı ve τ süre olarak tanımlanır. Elektronun iletken içerisinde alacağı mesafenin uzunluğu iletkenliğin bir ölçütüdür. İletkenlik ifadesi ise sürüklenme mobilitesi ve sistemde bulunan serbest elektron sayısıyla doğru orantılı olan bir fonksiyondur ve σ ile simgelenmiştir.[22]

 (3.10)

Sonuç olarak bir iletken ne kadar çok serbest elektrona sahip olursa birim zamanda taşıyabileceği yük miktarı o derece fazla olur. Elektronlar iletken içerisinde ne kadar az çarpışma yaparsa enerjinin iletimi o derece kayıpsız olur. Bunun için malzeme seçimlerinde Joule kayıplarını azaltmak için saf metaller ve kristal yapısı bozulmamış metaller kullanılmaya çalışılmalıdır.[22]

Metallerdeki iletkenliği enerji bant teorisi ile açıklamaya çalışırsak: Şekil-3.13 uçları arasına gerilim uygulanmış bir iletkende elektronların hareketini göstermektedir.Şekil-3.13 uçları
arasına gerilim uygulanmış bir iletkende elektronların hareketini göstermektedir.
Uçlar arasında potansiyel fark uygulanmasıyla pozitif uç tarafında -eV’luk bir azalma gerçekleşir ve enerji bandı kayar.

3.3.2.2 Metallerde Termal İletkenlik

Metal içinde ısının iletimi yine serbest elektronlar sayesinde gerçekleşir. Metal bir ucundan ısıtılmaya başlandığında serbest elektronlar ve merkez atomlar artan salınımlar ile titreşmeye başlarlar. Şekil-3.14 de gösterildiği gibi S çaplarını genişleten merkez atomlar serbest halde dolaşan elektronlara çarpar ve enerjilerinin bir kısmını elektronlara nakleder ve hızlanan elektronlar soğuk bölgede daha küçük S çapına sahip atomlara çarparlar. Sıcak bölgeden hızla gelen serbest elektronlar soğuk bölgedeki merkez atomlara çarparak onların da S çaplarını büyütmesi ve daha enerjik hale gelmelerini sağlarlar. Belirli bir süre sonunda ısıtılmaya başlanan uç ile soğuk uç arasında termal dengeye ulaşılır ve sistemde bulunan bütün atomlar aynı S çapında titreşimlerini sürdürürler.[22]





Şekil-3.14 de görüldüğü gibi sıcak uçta hem elektronların hem de merkez atomların soğuk uca göre vektörel genlikleri daha büyüktür. Serbest elektronların soğuk bölgedeki merkez atomlarıyla çarpışmaları sonucu enerjilerinin azalmasına karşın sıcak bölgeden aldıkları enerjiyle bu çarpma işlemleri defalarca tekrarlanır ve ısı iletimi termal dengeye ulaşıncaya kadar sürer.[22]

Bundan sonraki yazı dizimizde “ Yarı İletkenler ve Enerji Bantları ” 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