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

Güneş Pili Teknolojileri Tarihsel Gelişme Çalışma İlkesi İyileştirme Fiziksel Yapı

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

Tarihsel Gelişme 1839: Alexandre-Edmond Becquerel 1883: Charles Fritts 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)

Tarihsel Gelişme 1958: Peter Iles 1970: Zhores Alferov 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

Tarihsel Gelişme 1973-74: 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.

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)

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

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

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

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

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

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

En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

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

Çalışma İlkesi yarıiletkenler yalıtkanlar iletkenler Ge Si GaAs özgül iletkenlik - 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.

Çalışma İlkesi Katkısız silisyum 1 cm3 silisyumda 1022 atom var Her bir silisyum atomu 4 komşusuyla kovalent bağ oluşturur. 0 derece Kelvin sıcaklığında bu bağların hepsi tamam Oda sıcaklığında (300 K) 1.5x1010 valans elektronu bağını koparır ve yapı içinde dolaşabilir. Kopmuş valans bağa “delik” adı verilir (hole, deşik, boşluk diyenler de var). Delikler de yer değiştirebilir.

Çalışma İlkesi Katkısız silisyum Katkılı 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 1015-1019 cm-3 gibi katkılamalar kolay

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.

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

Çalışma İlkesi

Çalışma İlkesi

Güneş Pili Eşdeğer Devresi

Çalışma İlkesi Akım gerilim ilişkisi karanlıkta i + - v P N i v aydınlıkta

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 Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

Çalışma İlkesi Güneşten yer yüzüne gelen ışıma ortalama 1000 W/m2 %10 verimli pillerden oluşan panel varsayalım 1m2 panel çıkış gücü 100 W/m2 100 wattlık ampul yakmak için 1 m2 panel gerekli 2400 wattlık fırın için 24 m2

Çalışma İlkesi: Gün ışığı içeriği http://wikipedia.org

Çalışma İlkesi: Shockley–Queisser limit http://wikipedia.org

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 Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

İyileştirme Yansımayı önleme İnce saydam katman http://pveducation.org

İyileştirme Yansımayı önleme İnce saydam katman Titanyum Dioksit Silisyum Dioksit Silisyum Nitrat Spin-on çözeltiler 3SiH4 + 4NH3  Si3N4 + 12H2 http://pveducation.org

İyileştirme Yansımayı önleme Tırtıklı yüzey http://pveducation.org

İyileştirme Yansımayı önleme Tırtıklı yüzey Tercihli aşındırıcı http://pveducation.org

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 Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

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

Aktif bölge genişliği = w + Ln + Lp İyileştirme Aktif bölge genişliği = w + Ln + Lp Tek kristal silisyum 50 – 100 mikron Tek kristal GaAs 4 – 5 mikron Çok kristal silisyum 3 – 4 mikron Diğer ince filmler 2 – 3 mikron İnce iki katman yeterli  ince film teknolojisi

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 Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

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

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 Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

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

İyileştirme P N Eg1 Eg2 Eg3 Daha iyi bir çözüm: Hem yüksek hem de düşük bant aralıklı yarıiletkenleri birlikte kullanmak Önce yüksek enerjili fotonlar soğrulsun Sonra düşük enerjili fotonlar soğrulsun Eg1 > Eg2 > Eg3

İyileştirme Yeni sorun: Bu katmanları birbirine nasıl bağlayacağız? P N Eg1 Eg2 Eg3 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

İyileştirme Araya yüksek katkılı bölgeler ekleyerek tünel diyodu oluşturmak P++ N++ eklemi E P N Eg1 Eg2 Eg3 EF N++P++ i EC P N EV N++P++ v P N PN diyodu

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 Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

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

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

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

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

Fiziksel Yapı: Yarıiletken Malzeme Güneş Pili Üretiminde Paylar

Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme İsim Sembol Tane Boyutu Üretme Tekniği Single crystal sc-Si >10cm Czochralski (CZ) float zone (FZ) Multicrystalline mc-Si 1mm–10cm Dökme, tabaka, şerit Polycrystalline pc-Si 1µm–1mm CVD Microcrystalline µc-Si <1µm Plasma

Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme Üretimi Kum + Kömür  Silisyum + Duman 1500-2000 °C : SiO2 + C  Si + CO2 (%98 saf Si) Siemens Process: 300 °C : Si + 3HCl  SiHCl3 + H2 SiHCl3 damıtılarak saflaştırılır. 1100 °C : SiHCl3 + H2  Si + 3HCl

Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme Üretimi Czochralski Yöntemi Çekirdek Ergitilmiş silisyum

Fiziksel Yapı: Silisyum Malzeme Üretimi Floating Zone Yöntemi

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

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

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

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

Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar

Fiziksel Yapı: Diğer Yapılar 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. Kaynak: Yunus Erkaya

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

Sürç-i lisan ettikse affola. Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 17 Ocak 2013 2nd Renewable Energy Systems Winter School AFYON