Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Güneş Pili Teknolojileri Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi 2nd Renewable Energy Systems Winter School AFYON.

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "Güneş Pili Teknolojileri Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi 2nd Renewable Energy Systems Winter School AFYON."— Sunum transkripti:

1 Güneş Pili Teknolojileri Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi 2nd Renewable Energy Systems Winter School AFYON

2 2 Güneş Pili Teknolojileri Tarihsel Gelişme Çalışma İlkesi İyileştirme Fiziksel Yapı

3 3 Tarihsel Gelişme Kitab-ı Mukaddes’in “Yaratılış” kısmından: 1.Başlangıçta Tanrı göğü ve yeri yarattı. 2.Yer boştu, yeryüzü şekilleri yoktu; engin karanlıklarla kaplıydı. Tanrı'nın Ruhu suların üzerinde dalgalanıyordu. 3.Tanrı, “Işık olsun” diye buyurdu ve ışık oldu. 4.Tanrı ışığın iyi olduğunu gördü ve onu karanlıktan ayırdı.

4 4 Tarihsel Gelişme 1839: Alexandre-Edmond Becquerel –Işıktan elektrik üretmenin keşfi 1883: Charles Fritts –Altın-Selenyum kontağı (%1 verim) 1946: Russell Ohl –Modern güneş pili patenti 1954: Bell Laboratuvarları –Silisyum güneş pilleri yapımı (%4 verim) (Kaynak: Wikipedia)

5 5 Tarihsel Gelişme 1958: Peter Iles –İlk uydu için güneş pili yaptı –Çeşitli ülkeler arasında ortak güneş pili araştırması başladı –Silisyum, %6 verim 1970: Zhores Alferov –GaAs Hetero-eklem güneş pili

6 6 Tarihsel Gelişme : Petrol Krizi –Alternatif enerji kaynakları arayışı –Güneş pillerine artan ilgi –Petrol firmaları güneş pili AR-GE ve üretimi yapıyor Kriz geçtikten sonra ilgi ve AR-GE azalmıştı. Son yıllarda artan petrol fiyatları, güneş enerjisini ön plana çekti.

7 7 Tarihsel Gelişme 1988: Applied Solar Energy Corp. –GaAs seri üretim (%17 verim) 1989: Applied Solar Energy Corp. –Ge taban üzerinde GaAs (%19 verim) 1993: Applied Solar Energy Corp. –İki-eklemli pil seri üretim (%20 verim) 2000 Üç-eklemli pil (%24 verim) 2002 Üç-eklemli pil (%26 verim) 2005 Üç-eklemli pil (%30 verim)

8 8 Tarihsel Gelişme 2012: Yüksek verimli piller üreten iki firma var: –Emcore Photovoltaics (%29.5 uzay, %39 yeryüzü)

9 9 2012: Yüksek verimli piller üreten iki firma var: –Spectrolab Concentrator Cells (CPV) C4MJ 40% Point Focus Solar Cells C3MJ+ 39.2% Point Focus Solar Cells C3MJ 38.5% Point Focus Products Space Cells 29.5% NeXt Triple Junction (XTJ) Solar Cells 28.3% Ultra Triple Junction (UTJ) Solar Cells 26.8% Improved Triple Junction (ITJ) Solar Cells

10 10 Tarihsel Gelişme Birinci nesil güneş pilleri –Silisyum tabanlı (tek kristal) –Tek eklemli –Geniş alanlı –Verim %20’nin altında (Lab şartlarında %27) –Ticari piyasanın %86’sına hakim

11 11 Tarihsel Gelişme İkinci nesil güneş pilleri –İnce film teknolojisi –Taban kafes yapısına uyumlu –Uzay/uydu uygulamalarında yaygın AM0 şartlarında %28-30 verim Pahalı –Yeryüzü uygulamalarında AM0 şartlarında %7-10 verim Ucuz

12 12 Tarihsel Gelişme İkinci nesil piller (devam) –Silisyum malzeme Amorf silisyum Çok kristalli silisyum Mikro kristalli silisyum –Kadmiyum Tellürid –Bakır İndiyum Selenid –GaAs tabanlı (%37 verim amaçlanıyor) –Esnek tabanlara ince film yapı

13 13 Tarihsel Gelişme Üçüncü nesil güneş pilleri –Çok eklemli –Kuantum noktası –Karbon nano boru –Nanokristal yapı –Elektrokimyasal yapı –Organik yapı –AM0 şartlarında %45 verim hedefleniyor

14 14

15 15 En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

16 16 En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

17 17 En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

18 18 En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

19 19 Çalışma İlkesi Güneş Pili (Yarıiletken) Işık Tanecikleri (Fotonlar) Elektrik Enerjisi

20 20 Çalışma İlkesi özgül iletkenlik yalıtkanlariletkenler yarıiletkenler GaAs Si Ge - Yarıiletkenlerin iletkenliği katkılama ile “ayarlanır.” - Katkılama p veya n tipi olabilir. - Bir parça yarıiletkenin bir kısmı p diğer kısmı n tipi katkılanırsa pn-eklemi oluşur.

21 21 Çalışma İlkesi Katkısız silisyum –1 cm 3 silisyumda atom var –Her bir silisyum atomu 4 komşusuyla kovalent bağ oluşturur. –0 derece Kelvin sıcaklığında bu bağların hepsi tamam –Oda sıcaklığında (300 K) 1.5x10 10 valans elektronu bağını koparır ve yapı içinde dolaşabilir. –Kopmuş valans bağa “delik” adı verilir (hole, deşik, boşluk diyenler de var). –Delikler de yer değiştirebilir.

22 22 Çalışma İlkesi Katkısız silisyum –Valans elektronunun bağını koparmak için alması gereken en az enerji = “enerji bant aralığı” –Silisyum bant aralığı 1.12 eV (elektron volt). Katkılı silisyum –Periyodik cetvel 5. sütun elementleri: n-tipi –Periyodik cetvel 3. sütun elementleri: p-tipi – cm -3 gibi katkılamalar kolay

23 23 Çalışma İlkesi Yarıiletken yapıya giren bir fotonun enerjisi yeteri kadar yüksek ise, bir valans elektronunun bağını koparabilir (elektron-delik çifti üretme) Bu şekilde üretilen elektronlar bir tarafta, delikler de karşı tarafta toplanırsa, güneş pili elde edilir. Toplama için bir elektrik alanı gerekir. PN ekleminde bu alan kendiliğinden oluşur.

24 24 Çalışma İlkesi pn aktif bölge - + elektrik alanıfakirleşme bölgesi Aktif bölgede oluşacak elektron- delik çiftleri fakirleşme bölgesine girdiğinde elektrik alanının yardımıyla ayrılarak karşı tarafa geçirilir.

25 25 Çalışma İlkesi

26 26 Çalışma İlkesi

27 27 Güneş Pili Eşdeğer Devresi

28 28 Çalışma İlkesi Akım gerilim ilişkisi PNPN +-+- v i i v karanlıkta aydınlıkta

29 29 Çalışma İlkesi Verim = Neden %100 değil? –Fotonların bir kısmı dışa yansıyor –Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor –Bir kısmının enerjisi az –Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor –Kontak dirençleri/kaçak akımlar Güneşten Gelen Güç Elektrik Gücü

30 30 Çalışma İlkesi Güneşten yer yüzüne gelen ışıma ortalama 1000 W/m 2 %10 verimli pillerden oluşan panel varsayalım 1m 2 panel çıkış gücü 100 W/m wattlık ampul yakmak için 1 m 2 panel gerekli 2400 wattlık fırın için 24 m 2

31 31 Çalışma İlkesi: Gün ışığı içeriği

32 32 Çalışma İlkesi: Shockley–Queisser limit

33 33 İyileştirme Verim = Neden %100 değil? –Fotonların bir kısmı dışa yansıyor –Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor –Bir kısmının enerjisi az –Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor –Kontak dirençleri/kaçak akımlar Güneşten Gelen Güç Elektrik Gücü

34 34 İyileştirme Yansımayı önleme –İnce saydam katman

35 35 İyileştirme Yansımayı önleme –İnce saydam katman Titanyum Dioksit Silisyum Dioksit Silisyum Nitrat Spin-on çözeltiler 3SiH 4 + 4NH 3  Si 3 N H 2

36 36 İyileştirme Yansımayı önleme –Tırtıklı yüzey

37 37 İyileştirme Yansımayı önleme –Tırtıklı yüzey Tercihli aşındırıcı

38 38 İyileştirme Verim = Neden %100 değil? –Fotonların bir kısmı dışa yansıyor –Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor –Bir kısmının enerjisi az –Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor –Kontak dirençleri/kaçak akımlar Güneşten Gelen Güç Elektrik Gücü

39 39 İyileştirme pn aktif bölge - + elektrik alanıfakirleşme bölgesi Yüzeye yakın katman çok ince olursa, kontaklara giden yolda seri direnç oluşur. Aktif bölgenin geniş olması için yüksek kaliteli yarıiletken kullanmak gerek. Aktif bölgeyi ışık gelen yüzeye yakın yapmak Işık Soğrulma

40 40 İyileştirme Aktif bölge genişliği = w + L n + L p Tek kristal silisyum50 – 100 mikron Tek kristal GaAs4 – 5 mikron Çok kristal silisyum3 – 4 mikron Diğer ince filmler2 – 3 mikron İnce iki katman yeterli  ince film teknolojisi

41 41 İyileştirme Verim = Neden %100 değil? –Fotonların bir kısmı dışa yansıyor –Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor –Bir kısmının enerjisi az –Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor –Kontak dirençleri/kaçak akımlar Güneşten Gelen Güç Elektrik Gücü

42 42 İyileştirme Çözüm: Düşük bant aralıklı bir yarıiletken kullanılabilir Yeni sorun: Verim başka nedenlerle düşer (Shockley–Queisser limit) Dalga Boyu Yoğunluk EgEg Az enerjili fotonlar soğrulmadan geçiyor EgEg η

43 43 İyileştirme Verim = Neden %100 değil? –Fotonların bir kısmı dışa yansıyor –Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor –Bir kısmının enerjisi az –Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor –Kontak dirençleri/kaçak akımlar Güneşten Gelen Güç Elektrik Gücü

44 44 İyileştirme Çözüm: Yüksek bant aralıklı bir yarıiletken kullanılabilir Yeni sorun: Verim başka nedenlerle düşer (Shockley–Queisser limit) EgEg Foton Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor P N EgEg η

45 45 İyileştirme Daha iyi bir çözüm: Hem yüksek hem de düşük bant aralıklı yarıiletkenleri birlikte kullanmak Önce yüksek enerjili fotonlar soğrulsun Sonra düşük enerjili fotonlar soğrulsun E g1 > E g2 > E g3 PNPN PNPN PNPN E g1 E g2 E g3

46 46 İyileştirme Yeni sorun: Bu katmanları birbirine nasıl bağlayacağız? Üstüste üretilirse PNPNPN yapısı oluşur ve aradaki eklemler ters kutuplanır. Bu yapı akıma izin vermez. Yeni Çözüm: Araya yüksek katkılı bölgeler ekleyerek tünel diyodu oluşturmak PNPN PNPN PNPN E g1 E g2 E g3

47 47 İyileştirme Araya yüksek katkılı bölgeler ekleyerek tünel diyodu oluşturmak PNPN PNPN PNPN E g1 E g2 E g3 N ++ P ++ P ++ N ++ eklemi E v i PN diyodu EFEF ECEC EVEV

48 48 İyileştirme Verim = Neden %100 değil? –Fotonların bir kısmı dışa yansıyor –Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor –Bir kısmının enerjisi az –Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor –Kontak dirençleri/kaçak akımlar Güneşten Gelen Güç Elektrik Gücü

49 49 İyileştirme Çözüm: Kontak dirençleri kontak yüzeyi arttırılarak azaltılabilir Yeni sorun: Artan kontak yüzeyi ışığı azaltır.

50 50 İyileştirme Çözüm: Kaçak akımları azaltmak için yüzeyi pasif hale getirmek (Kara gün dostu: Hidrojen) Yansıma önleyici katman üretirken bu işlem de yapılmış olur. (Si x N y :H)

51 51 Fiziksel Yapı: Paneller Pillerin seri veya paralel bağlaması Pillerin izolasyonu Pillerin korunması Mekanik Atmosferik Kimyasal

52 52 Fiziksel Yapı: Paneller Işığı az yansıtan, iyi geçiren, Demiri az, Kendi kendini temizleyen cam Ethyl Vinyl Acetate 150 °C ısıl işlem

53 53 Fiziksel Yapı: Yarıiletken Malzeme Güneş Pili Üretiminde Paylar

54 54 Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme İsimSembolTane Boyutu Üretme Tekniği Single crystalsc-Si>10cmCzochralski (CZ) float zone (FZ) Multicrystallinemc-Si1mm– 10cm Dökme, tabaka, şerit Polycrystallinepc-Si1µm– 1mm CVD Microcrystallineµc-Si<1µmPlasma

55 55 Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme Üretimi Kum + Kömür  Silisyum + Duman °C : SiO 2 + C  Si + CO 2 (%98 saf Si) Siemens Process: 300 °C : Si + 3HCl  SiHCl 3 + H 2 SiHCl 3 damıtılarak saflaştırılır °C : SiHCl 3 + H 2  Si + 3HCl

56 56 Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme Üretimi Czochralski Yöntemi Çekirdek Ergitilmiş silisyum

57 57 Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme Üretimi Floating Zone Yöntemi

58 58 Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme Üretimi Dökme Yöntemi Ergitilmiş silisyum 50 cm x 50 cm x 25 cm kalıplara dökülür

59 59 Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme Üretimi Dökme Yöntemi Dökme silisyum 10 cm x 10 cm x 25 cm boyutlarında kesilir

60 60 Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme Üretimi Dökme Yöntemi Dökme silisyum tellerle dilimlenir

61 61 Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme Üretimi Sonraki Aşamalar P-tipi dilimlere fosfor difüzyonu Kontakların oluşturulması Yansıma önleyici katman oluşturulması Bağlantıların oluşturulması Panel oluşturulması

62 62 Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

63 63 Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

64 64 Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

65 65 Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

66 66 Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

67 67 Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

68 68 Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

69 69 Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

70 70 Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

71 71 Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar Kaynak: Yunus Erkaya Chemical bath deposition in making CdS with Thiourea, CdAs, NH4OH and de- ionized water. Plastic scissors are holding two 3"x1" (75 mm x 25 mm) microscope slides with two samples coated with Molybdenum. Molybdenum facing outwards. Cooked in 65 C for 10 minutes yielding a beautiful yellow color and agitated every minute due to precipitation.

72 72 Özet Silisyum tabanlı teknolojiler baskın Malzeme iyileştirmesi devam ettikçe verimde küçük artışlar olacak İnce film yapıları daha az yatırımla üretilebiliyor

73 73 Sürç-i lisan ettikse affola. Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 17 Ocak nd Renewable Energy Systems Winter School AFYON


"Güneş Pili Teknolojileri Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi 2nd Renewable Energy Systems Winter School AFYON." indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları