FOTOVOLTAİK HÜCRELER VE MODÜLLER

Fotovoltaik Etki ve Fotovoltaik Hücrelerin İşlevi: Fotovoltaik denildiğinde ışık enerjisini FV hücreler vasıtasıyla doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi kastedilmektedir.Bunun içinde silisyum,galyum –arsenür,kadmiyum-tellürür,bakır-iridyum-diselenür gibi yarıiletken malzemeler kullanılır.Kullanımı en yaygın olan hücre türü ise kristal silisyum FV hücrelerdir. Kristal FV hücreler için en önemli malzeme silisyumdur. Silisyum oksijenden sonra dünyadaki en yaygın element olup neredeyse sınırsız miktarda temin edilebilmektedir.Silisyum doğada arı halde değil ancak oksijenle kuvars bileşimi yada kum halinde bulunur.

Fotovoltaik Hücrelerin İşlevsel Prensibi FV hücrelerin çalışma prensibini bir kristal silisyum hücre örneğinde genel olarak anlatabiliriz FV hücreler için son derece saf ve kristal yapısı yüksek silisyum gereklidir. Silisyum atomları ,sağlam bir kristal yapı oluşturur.Her silisyum atomunun dış elektron katmanında dört adet değerlik elektron bulunur , kararlı bir elektron dizilimi elde etmek için ,kristal yapıda birbirine komşu atomlar, birer elektronu ortaklaşarak bir elektron bağı oluştururlar. Silisyum böylece dört komşu atomla elektron bağı oluşturarak kararlı soygaz yapısına sahip olur. Işık yada ısı akışının etkisiyle bu elektron bağları kırılabilir.Kırılan bir bağdan ayrılan elektron serbest hareket edebilir ve kristal yapıda boşluklar bırakır.Buna kendinden iletim denir.

Ancak akım üretmek için kendinden iletim yeterli değildir . Silisyum malzemesinin enerji üretebilmesi için kristal yapıya kasıtlı olarak saf yapıyı bozan ,katkılama atomları yerleştirilir.Bu atomlar dış elektron katmanlarında silisyum elementinden bir elektron fazlası (fosfor) ve bir elektron eksiği (bor) bulunan atomlardır. Katkılama atomları bu şekilde kristal yapıda örgü bozukluklarına neden olur. Katkılam için fosfor kullanıldığında ,buna ‘’n tipi katkılama’’ denilir; kristal yapıya yerleştirilen her fosfor atomu başına bir adet fazla elektron hazır bulunur, bu elektron kristal yapıda serbestçe hareket edebilir ve böylece elektrik yüklerini taşıyabilir. Katkılama için bor kullanıldığında, buna ‘’ p tipi katkılama’’ denilir; yerleştşrlen her bor atomu başına bir boşluk (eksik bağlantı elektronu) bulunur. Komşu silisyum atomlarına ait elektronlar bu boşluğu doldurabilir ve böylece geldikleri yerde yeni bir boşluk oluşumu aneden olur. Katkılama atomları sonucu oluşan bu iletim mekanizmasına bozukluk iletimi denir. n tipi ve p tipi katkılamaya ayrı ayrı bakıldığında boştaki bu yüklerin belirli bir hareket yönlerinin olmadığı görülür. p yarıiletkeni n yarıiletkeni

n tipi ve p tipi katkılanmış yarıiletkenler üst üste dizilirse ,aralarınde bir p-n kavşağı meydana gelir. Bu durum ise katmanların birleştiği bölgede,n tipi yarıiletkendeki fazla elektronun p tipi yarı iletkene doğru yayınımına neden olur.Böylece serbest elektronların bulunduğu bir bölge meydana gelir ,bu bölgeye tüketim bölgesi yada uzay yük bölgesi denilir. Geçiş bölgesinin n tarafında pozitif, p tarafında ise negatif katkılamalı atomlar kalır. Bu şekilde elektron hareketinin tersi yönünde bir elektrik alan oluşur ve elektron yayınımının sonsuza kadar devam etmesi önlenmiş olur. Şimdi pn yarıiletkeni yani fotovoltaik hücre ışığa mağruz bırakılırsa , ışığın fotonları elektronlar tarafından sogurulur, bu enerji beslemsiyle elektron bağları kırılır açığa çıkan elektronlar elektrik alan etkisiyle n bölgesine çekilir ve bu şekilde oluşan delikler ters yönde p bölgesine hareket eder.Bu sürece ‘’fotovoltaik etki’’ denilir. Böylece yüklü parçacıkların elektrik iletkenlere kadar yayınması ,fotovoltaik hücrede gerilimin meydana gelmesine neden olur. Yüksüz durumda fotovoltaik hüvrede açık devre gerilimi meydana gelir, devre kapatılırsa akım oluşur. Bazı elektronlar iletkenlere ulaşmayarak yeniden birleşir,bu sürece ‘’Recombination’’ (geri dönme) denir.Rekombination süreci değerlikli bir elektronun, dış katmanında elektron eksiği bulunan (delikli) bir atoma bağlanmasıdır. p bölgesi (serbest boşluklar) uzay yük bölgesi n bölgesi (serbest elektronlar)

Kristal Silisyum Hücresinin Yapısı ve İşlevi: Klasik kristal silisyum hücre, iki tane farklı katkılanmış silisyum katmanından oluşur .Güneş ışığına baka taraf fosfor ile negatif katkılanmış, altındaki katman ise bor ile pozitif katkılanmış olur. Geçiş bölgesinde güneş ışığının etkisiyle serbest bırakılan yüklerin (elektron ve delikler) ayrılmasını sağlayan bir elektrik alan oluşur. Fotovoltaik hücreden elektrik akımı elde edebilmek için , ön ve artka tarafına metal kontaklar yerleştirilmelidir .Bunun için genellikle serigraf yöntemi kullanışır: -Hücrenin arka yüzeyine, aleminyum ve gümüş macunu kullanılarak tüm alanı kapsayan bir kontak katmanının uygulanması mümkündür -Ön taraf ise olabildiğince çok ışık geçirebiliyor olmalıdır ,bunun için; bu taraftaki kontaklar çoğunlukla ince bir ızgara yada ağaç deseni halinde tatbik edilir Fotovoltaik hücrenin ön tarafına ince bir silisyum nitrid yada titanyum oksit (yansıma önleyici) tatbik edilirse ışığın yansıması (soğurulmadan) azaltılabilir.

Kristal silisyum fotovoltaik hücrenin enerji bilançosu: Işınım söz konusu olduğunda elektron bağları kırılır ve devreye bir tüketici bağlanırsa elektrik akımı oluştuğu görülür. FV hücrelerde recombination olgusu, ışığın soğurulmadan yansıyan kısmı ve ön yüzeydeki kontaklardan kaynaklı gölgelenmelerden dolayı enerji kaybı oluşmaktadır. Bunun dışında uzun ve çok kısa dalga boylu ışınım enerjisinin büyük bir kısmı degerlendirilememektedir Enerji kayıp faktörleri % kayıp miktarı Etki eden güneş ışınımı + % 100 Ön yüzdeki kontaklardan kaynaklı gölgelenme ve yansıma etkisi - % 3 Uzun dalga boyu ışınımın fazla düşük foton enerjisi - % 22 Kısa dalga boylu fotonun fazla enerjisi - % 30 Rekombinasyon - % 8,5 Başta tükenim nölgesi olmak üzere gerilim düşüşleri - % 20 Seri direnci (akımsal kayıplar) - % 0,5 Toplam kullanılabilir enerji % 16

Hücre Türleri: Fotovoltaik hücre teknolojileri üç ayrı guruba ayrılabilir: Kristal Yapılı Silisyum Hücreleri İnce Film Hücreleri Nano Dokulu Fotovoltaik Hücreler

Kristal Yapılı Silisyum Hücreleri: Tekli kristal yapılı silisyum hücreleri -Standart silisyum hüreleri -Yüksek performans silisyum hücreleri Kare biçimli tekli kristal hücre Köşeleri yuvarlak kareli tekli kristal Yuvarlak tekli karistal hücre

Çoklu kristal yapılı silisyum hücreleri -Çoklu kristal şerit hücreleri(EFG,String Ribbon) -Arkayüz kontaklı hücreler(MWT,EWT) Kare biçimli çoklu kristal hücre(EFG) Yansıma önleyici kaplamalı çoklu kristal yapılı silisyum hücreleri

İnce Film Hücreleri: Fotoaktif yarıiletkenler ve kontaklar ince şeritler halinde taşıyıcı bir malzemeye (çoğunlukla cam) ;çoğu kez fiziksel buhar çökeltimiyle yada kimyasal buhar çökeltimiyle ince katmanlar halinde tatbik edilir. İnce film teknolojisinde amorf silisyum(ASi),bakır-indiyum-diselenür(CIS),kadmiyum-tellürür(CdTe),odaklaştırıcı 3 ve 5 gurubu yarıiletkenler , yarıiletken malzeme olarak kullanılır.Ayrıca kristal yapılı silisyum ince film hücreliride yapılabilmektedir. Kristal yapılı silisyum hücrelerinin üretiminde 1500 C gibi sıcaklık yeterli olurken , ince film hücrelerin yapımı için 200 C gibi düşük sıcaklık yeterli olmaktadır. Daha düşük olan malzeme ve enerji sarfiyatı , üretimde erişilmiş olan yüksek otomatikleşme derecesi ve verimlilik sayesinde , kristal silisyum teknolojisine göre önemli ölçüde maliyet düşürme potansiyelini beraberinde getirir. Ancak karistal silisyum teknolisine %16 değerlerinde enerji verimine sahipken , en yüksek performanslı ince katman hücreleri %12 düzeylerinde enerji verimine ulaşabilmektedir , fakar yinede azımsanacak bir verim olmadığından kristal yapılı hücrelere göre bir alternatif olabilir. -Amorf Silisyum (ASi):Amorf silisyum (düzensiz yapılı silisyum) , düzenli bir kristal yapı oluşturamaz bundan dolayı ince film teknolojilerinde kullanılan bir silisyum türüdür.Hesap makinaları,saatler,el fenerlerindeki ince filimlerin çoğu amorf silisyum yapılıdır. -Bakır-İndiyum-Diselenür(CIS):Galyum ve Kükürtle birleştiğinde CIGS ve CIGSSe fotovoltaik hücrelerden bahsedilebilir.

Nano Dokulu Fotocoltaik Hücreler: Dünya üzerinde farklı ‘’organik’’ ve ‘’anorganik ‘’ malzemelerden yararlanılan nanoteknoloji üzerine çalışılmaktadır. Nanodokulu hücre teknolojisini kullanılan malzemelere göre üç guruba ayırabiliriz: -Nanodokulu CIS hücreler -Polimerik FV hücreler -Boyar maddeli FV hücreler