Fotovoltaik Santraller

 

Yazı Dizisi-4

 

Tercüme: Alper Çelebi

1.4 Fotovoltaik modül tipleri 

1.4.1 Kristal silisyum modüller

Günümüzde en çok kristal silisyum modüller kullanılır ve    üç kategoriye ayrılırlar:

• monokristal (tek kristalli) silisyum modülleri (Şekil 1.16), homojen tek kristalli modüller yüksek saflıktaki silisyum kristalden elde edilir. Tek kristalli silisyum külçe, silindirik bir şekle sahip olup 13-20 metre çapa ve 200cm uzunluğa sahiptir ve de yavaş dönüşlü bir ipliksi kristalin büyümesi ile elde edilir. Sonrasında, silindir 200-250 μm kalınlığında plakalar halinde dilimlenir ve yansıma
kayıplarını en aza indirmeyi amaçlayan “mikro oluklar” elde etmek üzere elde etmek üst yüzey kimyasal işleme tabi tutulur.

Şekil 1.16 – Monokristal silisyum modül

Bu hücrelerin başlıca avantajları arasında verimlilik (%16-16.5 iken yüksek performanslı modüllerde %20 ila 22’ye çıkmaktadır), yüksek dayanım ve karakteristik özelliklerin uzun süre muhafazası vardır (3) .

Bu modüllerin fiyatı yaklaşık 0.70€/W’dir ve bu teknoloji ile yapılan modüller genellikle homojen koyu mavi renkle karakterize edilir(4).

• polikristal modüllerde (Şekil 1.17), hücreleri oluşturan kristaller birleşerek farklı şekiller ve yönler alırlar. Nitekim, polikristal silisyum hücrelerin tipik parıldaması, kristallerin farklı yön alması sonucu ışığa göre farklı davranması nedeniyle olur. Polikristal silisyum külçe, eritilerek ve bir paralel yüz şekilli bir kalıp içine silisyumun dökümüyle ile elde edilir. Bu şekilde elde edilen dilimler kare şekillidir ve 180-300 μm kalınlığında tipik damarlara sahiptir.

Şekil 1.17 – Polikristal silisyum modül

 

Monokristal modüllerle karşılaştırıldığında verim düşüktür (%15 ila 16 iken yüksek performanslı modüllerde %18 ila %20’dir), ancak maliyeti de düşüktür: 0.67 €/W. Her halükarda dayanım (tek kristalli silisyuma göre) veayrıca performansın zaman içinde korunumu yüksektir (20 sene sonrasında ilk verimin %85’i). Böylesi bir teknoloji ile yapılan hücreler, kristal parçaların oldukça
görünür olduğu yüzey kısmından ayırt edilebilir.

• Tek ve çok kristalli olanlar arasında ara bir yapıya sahip neredeyse monokristal modüller. Külçeleri elde etme yöntemi, polikristal modülleri üretmek için kullanılan yönteme benzer: özellikle bir monokristal silisyum kristali, potanın dibine yerleştirilir ve büyük boyutlu kristallerin oluştuğu “yoğunlaşma çekirdeği” görevi görürler. Külçenin soğuması, kristallerin bölünmeden büyümesine izin verecek şekilde yavaş olacak ve silisyum çekirdeğinden yukarı yönde meydana gelecektir.

Bugünlerde, kristal silisyum teknolojisi piyasayı %90’a varan oranlarda domine etmektedir. Bu teknoloji, hem ulaşılabilir verimliliği hem de üretim maliyetleri bakımından olgunlaşmış olup muhtemelen kısa-orta dönemde pazarı domine etmeye devam edecektir. Verimlilik açısında sadece bazı küçük iyileştirmeler ve hem daha büyük ve daha ince dilimlerin endüstriyel proseslere dâhil olması, hem de ölçek ekonomileri ile bağlantılı olarak maliyetlerde düşme beklenmektedir. Özellikle, seçici yayıcı tekniği sayesinde, metal kontaklar altındaki alanda, bu bölgedeki direnci azaltmak için ve bununla birlikte, metalik kontağın boyutunu arttırmadan katkılama elemanının (fosfor) konsantrasyonunu arttırarak verimliliği %0.8'e kadar artırmak mümkündür. Bu sebeple, bu teknik, solar ışımanın kaptasyon yüzeyini düşürmeden ve dolayısıyla optik performansını olumsuz etkilemeksizin kontakların direncinin hücreler üzerinde düşürülmesini sağlar. Bunun haricinde, böylesi bir teknolojiye dayanan PV endüstrisi, elektronik endüstrisi için tasarlanmış silis-yum fazlalıklarını kullanır ancak sonuncusunun sürekli gelişmesi ve PV üretiminin son yıllardaki artışı nedeniyle, fotovoltaik sektöründe kullanılacak hammaddenin piyasada bulunabilirliği gittikçe daha zor hale gelmektedir.

1.4.2 İnce film modüller

İnce film hücreleri, genellikle gaz karışımları, desteklerde cam olarak, polimerler, alüminyum gibi karışıma fiziksel kıvamını veren biriktirilen yarı iletken malzemeden oluşur. Yarı iletken film tabakası, birkaç yüz μm’lik kristal silisyum hücrelerine nazaran birkaç μm kalınlığındadır. Dolayısıyla, önemli ölçüde malzeme tasarrufu vardır ve esnek bir desteğe sahip olma imkanı ince film hücrelerinin uygula alanını artırır (Şekil 1.18).

Kullanılan başlıca malzemeler:

• amorf silisyum (a-Si)
• kadmiyum telürür (CdTe)
• indiyum diselenid ve bakır alaşımları (CIS, CIGS, CIGSS)

• galyum arsenit (GaAs

Şekil 1.18 – İnce film modül

Amorf Silisyum destek üzerinde film olarak toplanır (ör. alüminyum) ve kristal silisyum ile karşılaştırıldığında PV teknolojisine daha az maliyetle sahip olma fırsatını sunar ancak bu hücrelerin verimliliği zaman içinde daha kötüye gider. Amorf silisyum ince bir plastik sac veya esnek malzeme üzerine spreyle de püskürtülebilir. Her şeyden önce, panelin ağırlığını olabildiğince düşürmek ve onu kıvrımlı yüzeylere adapte etmek gerektiğinde kullanılır.

Elektronların akılarında karşılaşmak zorunda kaldıkları birçok direnç nedeniyle verimlilik oldukça düşüktür (%7-8, yüksek performanslı modüllerde %10-11); ancak birim başına maliyet (0.52 ila 0.56 €/W), kristal silisyum modüllerinkinden düşüktür. Ayrıca bu durumda, hücre performansları da zamanla kötüleşme eğilimi gösterir.Bu teknolojinin ilginç bir uygulaması da “tandem”dir
(mikromorf silisyum hücreler); amorf silisyum tabakasını bir veya daha fazla çok eklemli kristal silisyum tabakasıyla birleştirir; güneş spektrumunun ayrılması sayesinde, sırayla yerleştirilmiş her eklem en iyi performansla çalışır ve hem verimlilik hem de dayanıklılık açısından yüksek seviyeler garanti eder.

Ulaşılan verimlilik seviyeleri ilginçtir: laboratuvarlarda %11.6 ve ticari uygulamalarda %9.

Kadmiyum telürür teknolojisinin yüksek ölçekli üretimi, hücrede bulunan CdTe nedeniyle çevresel bir sorun teşkil eder: suda çözünemediğinden ve kadmiyum içeren diğer bileşenlerden daha kararlı olduğundan, düzgün geri dönüşümü yapılmaz veya kullanılmazsa sorunlara yol açabilir (Şekil 1.19). CdTeS hücreleri, amorf silisyum hücrelere göre daha yüksek verimliliğe sahiptir (%12.4 ila 13.4, ve yüksek performanslı modüllerde %12.7 ila 14.2) ve birim başına maliyeti biraz daha fazladır (0.58-0.60 €/W).



CIS/CIGS/CIGSS modüllerde, silisyum yerine bazı özel alaşımlar kullanılır, örneğin:

• bakır, indiyum ve selenit (CIS);
• bakır, indiyum, galyum ve selenit (CIGS);
• bakır, indiyum, galyum, selenit ve kükürt (CIGSS).

Verimlilik yaklaşık %14.1 ila 14.6’dır (yüksek performanslı modüller için %15) ve performanslar zaman içinde değişmez; kristal silisyum için birim başına maliyette bir düşme öngörülmektedir ve yaklaşık 0.65 €/W’dir.

Bugünlerde GaAs teknolojisi elde edilen verimlilik açısından düşünüldüğünde en ilginç olanıdır; %25 ia 30 arasındadır, ancak böylesi hücrelerin üretimi yüksek maliyet ve malzemenin azlığı yüzünden sınırlıdır ve “yüksek hızlı yarı iletkenler” ve optoelektronik endüstrisinde kullanılır. Nitekim, GaAs teknolojisi başlıca ağırlık ve indirgenmiş boyutların önemli rol oynadığı uzay uygulamalarında kullanılır.

İnce film teknolojilerinin pazar payı sınırlıdır, ancak böylesi teknolojiler orta-uzun vadede yüksek potansiyelli çözümlerde ve ayrıca önemli bir fiyat indirimi için dikkate alınırlar. Doğrudan büyük ölçekli ince film biriktirilmesi ile (5 m2’den daha fazla), İlk külçe kristal silisyum tabakası almak için yapılan dilimleme işlemindeki tipik artıklardan kaçınılır. Biriktirme yöntemleri, düşük güç tüketimi işlemleridir ve dolayısıyla ilgili geri ödeme süresi kısadır; yani PV santralin kendisini inşa edecek güç üretilmeden önceki süre içindir (amorf silisyum için yaklaşık 1 yıla karşılık kristal silisyum için 2 yıl).

Kristal silisyum modüllerle karşılaştırıldığında inci film modüller işletim sıcaklığı üzerinde verimliliğe bağımlılık gösterirken en önemlisi bulutlu günlerde, dağınık ışık bileşeni daha belirgin ve radyasyon seviyeleri düşük olduğunda iyi tepki gösterir.

Tablo 1.1

Tablo 1.2

Bu alandaki bazı çalışmalara göre, 2020 yılında ince filmlerin pazar payı %30 ila 40’a erişebilir.(5)

Bundan sonraki yazımızda "Fotovoltaik Santral Tipleri"  anlatılacaktır.