Tweet
FOTOVOLTAİK GÜNEŞ PİLLERİ VE GÜÇ SİSTEMLERİ
FOTO ELEKTRONİK PİLLER
FOTOVOLTAİK GÜNEŞ PİLLERİ VE GÜÇ SİSTEMLERİ
Güneş pilleri (fotovoltaik diyotlar) üzerine güneş ışığı düştüğünde, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir. Bu enerji çevriminde herhangi devingen (hareketli) parça bulunmaz. Güneş pillerinin çalışma ilkesi, Fotovoltaik (Photovoltaic) olayına dayanır. İlk kez 1839 yılında Becquerel, elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilim, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğu gözlemleyerek Fotovoltaik olayını bulmuştur. Katılarda benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G.W. Adams ve R.E. Day tarafında gösterilmiştir. Bunu izleyen yıllarda çalışmalar bakır oksit ve selenyum a dayalı foto diyotların, yaygın olarak fotoğrafçılık alanında ışık metrelerinde kullanılmasını beraberinde getirmiştir 1914 yılında fotovoltaik diyotların verimliliği %1, değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik diyotlar ilk kez 1954 yılında Chapin et al . (1) tarafından silikon kristali üzerine gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik güç sistemleri için dönüm noktası olarak kabul edilen bu tarihi izleyen yıllarda araştırmalar ve ilk tasarımlar, uzay araçlarında kullanılacak güç sistemleri için yapılmıştır. Fotovoltaik güç sistemleri 1960” ların başından beri uzay çalışmalarının güvenilir kaynağı olmayı sürdürmektedir.
1970li yılların başlarına kadar, güneş pillerinin uygulamaları ile sınırlı kalmıştır. Güneş pillerinin yeryüzünde de elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik araştırma ve geliştirme çabaları 1954”ler de başlamış olmasına karşın, gerçek anlamda ilgi 1973 yılındaki “1. petrol bunalımı”nı izleyen yıllarda olmuştur. Amerika”da, Avrupa”da, Japonya”da büyük bütçeli ve geniş kapsamlı araştırma ve geliştirme projeleri başlatılmıştır. Bir yandan uzay çalışmalarında kendini ispatlamış silikon kristaline dayalı güneş pillerinin verimliliğini artırma çabaları ve diğer yandan alternatif olmak üzere çok daha az yarı iletken malzemeye gerek duyulan ve bu neden ile daha ucuza üretilebilecek ince film güneş pilleri üzerindeki çalışmalara hız verilmiştir.
Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin, basit, çevre dostu olan fotovoltaik sistemlerin araştırılması ve geliştirilmesi, maliyetinin düşürülerek yaygınlaştırılması misyonu uzun yıllar üniversitelerin yüklendiği ve yürüttüğü bir görev olmuş ve bu nedenle kamuoyunda hep laboratuarda kalan bir çalışma olarak kalmıştır. Ancak son yirmi yılda dünya genelinde çevre konusunda duyarlılığın artmasına bağlı olarak kamuoyundan gelen baskı, çok uluslu büyük şirketleri fosile dayalı olmayan yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda çalışmalar yapmaya zorlamışlardır. Büyük şirketlerin devreye girmesiyle fotovoltaik piller konusundaki teknolojik gelişmeler ve güç sistemlerine artan talep ve buna bağlı olarak büyüyen üretim kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir. Yakın geçmişe kadar alışıla gelmiş elektrik enerjisi üretim yöntemleri ile karşılaşıldığında çok pahalı olarak değerlendirilen fotovoltaik güç sistemleri, artık yakın gelecekte güç üretimine katkı sağlayabilecek sistemler olarak değerlendirilmektedir. Özellikle elektrik enerjisi üretiminde hesaba katılmayan ve görünmeyen maliyet olarak değerlendirilebilecek “sosyal maliyet” göz önüne alındığında, fotovoltaik sistemler fosile dayalı sistemlerdin daha ekonomik olarak değerlendirilebilir. İzleyen bölümlerde, önce bütünlüğün sağlanması amacı ile güneş ışınımı ile ilgili kavramlar ve terminoloji kısaca gözden geçirilecektir; ardından fotovoltaik sistemlerin kalbi olan güneş pilleri (fotovoltaik diyotlar) tanıtılıp bu diyotların yapılabileceği malzemeler ve öne çıkan teknolojiler özetlenecektir.
Fotoelektrik Etkisinin Anlamı:
Işığın dalga modeliyle, fotoelektrik deneyini açıklamak mümkün değildir. Bu yüzden yeni bir yol bulmak gerekiyordu. Bu yolu ancak 1905 yılında EİNSTEİN ( 1879-1955; Nobel ödülü 1921 ) bulmuştur:
1) Işık; fotoelektrik olayında E=h f paketleri büyüklüğünde ( kuvantlar halinde ) soğurulan bir enerji akımıdır. Bu enerji paketleri, fotonlar veya ışık paketleri ( ışık kuvantları ) olarak nitelendirilip, elektromanyetik salınımlara atfedilen mikro nesnelerdir. Enerji kuvantumlarının büyüklüğü, sadece ışığın frekansına bağlıdır.
2) Işığın şiddeti artırıldıkça, belirli bir zaman içerisinde metal yüzeyi tarafından soğurulan enerji kuvantumu sayısı da bu oranda artar. Yani düşük şiddetli ışıkta daha az sayıda elektron sökülür. Buna karşın; sökülen bu elektronların maksimum hızı, şiddetli ışıkta (aynı frekansta) sökülen elektronların maksimum hızı ile aynıdır.Ancak, ışığın dalga modelinde düşük şiddetteki ışıkta sökülen elektronların hızından daha düşük olması beklenir.
3) Işık, metal yüzeyinden ancak metal için karakteristik olan eşik frekansı fe ye ulaştığında elektron sökebilir. Işığın dalga modelinde elektron sökülmesinin böyle bir başlangıç ışık frekansına bağlılığı açıklanamaz.
FOTOELEKTRİK OLAYI
Havası alınmış saydam bir kabın içinde 2 adet elektrot (katot ve anot) bulunsun. (Şekil 1) Yüzeyi metalle kaplanan (örneğin Sezyum) katot üzerine ışık düşünce, devreden geçen bir akım ampermetre ile ölçülür.
Bu akım nasıl oluşur?
Elektronlar katottan, düşen ışık yardımıyla sökülürler. Daha sonra pozitif yüklenmiş anot tarafından çekilirler. Katotta elektron salınması nedeniyle oluşan elektron eksikliği, ampermetre üzerinden elektronların akmasına neden olur. Bunun sonucunda devreden geçen bir akım If (fotoakım) ölçülür.
Metal yüzeyinden bu şekilde elektron sökülmesine fotoelektrik olay veya ışık elektrik etkisi, sökülen elektronlara da foto elektronlar denir.
Elektronlar, metal yüzeyinden ancak gerekli enerjiye ulaştıklarında kurtulabilirler. Bu enerjiye bağlanma enerjisi Eb veya eşik enerjisi denir. Bu, metaller için ayırıcı (karakteristik) bir özelliktir. (Tablo 1) Genellikle atom ve molekül fiziğinde, bu enerji elektron volt (eV) birimiyle ifade edilir.
Foto elektronların kinetik enerjilerini ölçmek için, fotoselin elektrotlarının kutuplarını değiştirelim. Böylece oluşan elektrik alanından dolayı (başlangıçta pozitif elektrot şimdi negatif olduğundan), artık foto elektronlar yavaşlayacaklardır. Gerilimi artırdıkça bu yavaşlama artacaktır. Belli bir gerilim değerine ulaşıldığında ise artık devreden fotoakım geçmeyecektir. (If = 0) Gerilimin bu değerine, kesme potansiyel farkı denir ve Vk ile gösterilir.(Şekil 2) Bu durumda en hızlı elektronun kinetik enerjisi, tamamıyla sonradan oluşturulan elektrik alanını yenmek için harcanmıştır. Yani en hızlı foto elektronun kinetik enerjisi Ekxn(mak.) = e Vk dir. Vk ; örneğin sarı ışık için 0,40 V, mavi ışık için 1,05 V dur. Eğer foto elektronun sahip olabileceği en büyük (maksimum) kinetik enerjisini, ışığın frekansına bağlayan bir grafik çizersek, buradan elektronun maksimum kinetik enerjisinin ışığın frekansıyla arttığı sonucuna ulaşırız. f frekansıyla Ekxn(mak.) kinetik enerjisi arasında, doğrusal bir ilişki vardır.
FOTOVOLTAİK GÜNEŞ PİLLERİ VE GÜÇ SİSTEMLERİ
Güneş pilleri (fotovoltaik diyotlar) üzerine güneş ışığı düştüğünde, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir. Bu enerji çevriminde herhangi devingen (hareketli) parça bulunmaz. Güneş pillerinin çalışma ilkesi, Fotovoltaik (Photovoltaic) olayına dayanır. İlk kez 1839 yılında Becquerel, elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilim, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğu gözlemleyerek Fotovoltaik olayını bulmuştur. Katılarda benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G.W. Adams ve R.E. Day tarafında gösterilmiştir. Bunu izleyen yıllarda çalışmalar bakır oksit ve selenyum a dayalı foto diyotların, yaygın olarak fotoğrafçılık alanında ışık metrelerinde kullanılmasını beraberinde getirmiştir 1914 yılında fotovoltaik diyotların verimliliği %1, değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik diyotlar ilk kez 1954 yılında Chapin et al . (1) tarafından silikon kristali üzerine gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik güç sistemleri için dönüm noktası olarak kabul edilen bu tarihi izleyen yıllarda araştırmalar ve ilk tasarımlar, uzay araçlarında kullanılacak güç sistemleri için yapılmıştır. Fotovoltaik güç sistemleri 1960” ların başından beri uzay çalışmalarının güvenilir kaynağı olmayı sürdürmektedir.
1970li yılların başlarına kadar, güneş pillerinin uygulamaları ile sınırlı kalmıştır. Güneş pillerinin yeryüzünde de elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik araştırma ve geliştirme çabaları 1954”ler de başlamış olmasına karşın, gerçek anlamda ilgi 1973 yılındaki “1. petrol bunalımı”nı izleyen yıllarda olmuştur. Amerika”da, Avrupa”da, Japonya”da büyük bütçeli ve geniş kapsamlı araştırma ve geliştirme projeleri başlatılmıştır. Bir yandan uzay çalışmalarında kendini ispatlamış silikon kristaline dayalı güneş pillerinin verimliliğini artırma çabaları ve diğer yandan alternatif olmak üzere çok daha az yarı iletken malzemeye gerek duyulan ve bu neden ile daha ucuza üretilebilecek ince film güneş pilleri üzerindeki çalışmalara hız verilmiştir.
Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin, basit, çevre dostu olan fotovoltaik sistemlerin araştırılması ve geliştirilmesi, maliyetinin düşürülerek yaygınlaştırılması misyonu uzun yıllar üniversitelerin yüklendiği ve yürüttüğü bir görev olmuş ve bu nedenle kamuoyunda hep laboratuarda kalan bir çalışma olarak kalmıştır. Ancak son yirmi yılda dünya genelinde çevre konusunda duyarlılığın artmasına bağlı olarak kamuoyundan gelen baskı, çok uluslu büyük şirketleri fosile dayalı olmayan yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda çalışmalar yapmaya zorlamışlardır. Büyük şirketlerin devreye girmesiyle fotovoltaik piller konusundaki teknolojik gelişmeler ve güç sistemlerine artan talep ve buna bağlı olarak büyüyen üretim kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir. Yakın geçmişe kadar alışıla gelmiş elektrik enerjisi üretim yöntemleri ile karşılaşıldığında çok pahalı olarak değerlendirilen fotovoltaik güç sistemleri, artık yakın gelecekte güç üretimine katkı sağlayabilecek sistemler olarak değerlendirilmektedir. Özellikle elektrik enerjisi üretiminde hesaba katılmayan ve görünmeyen maliyet olarak değerlendirilebilecek “sosyal maliyet” göz önüne alındığında, fotovoltaik sistemler fosile dayalı sistemlerdin daha ekonomik olarak değerlendirilebilir. İzleyen bölümlerde, önce bütünlüğün sağlanması amacı ile güneş ışınımı ile ilgili kavramlar ve terminoloji kısaca gözden geçirilecektir; ardından fotovoltaik sistemlerin kalbi olan güneş pilleri (fotovoltaik diyotlar) tanıtılıp bu diyotların yapılabileceği malzemeler ve öne çıkan teknolojiler özetlenecektir.
Fotoelektrik Etkisinin Anlamı:
Işığın dalga modeliyle, fotoelektrik deneyini açıklamak mümkün değildir. Bu yüzden yeni bir yol bulmak gerekiyordu. Bu yolu ancak 1905 yılında EİNSTEİN ( 1879-1955; Nobel ödülü 1921 ) bulmuştur:
1) Işık; fotoelektrik olayında E=h f paketleri büyüklüğünde ( kuvantlar halinde ) soğurulan bir enerji akımıdır. Bu enerji paketleri, fotonlar veya ışık paketleri ( ışık kuvantları ) olarak nitelendirilip, elektromanyetik salınımlara atfedilen mikro nesnelerdir. Enerji kuvantumlarının büyüklüğü, sadece ışığın frekansına bağlıdır.
2) Işığın şiddeti artırıldıkça, belirli bir zaman içerisinde metal yüzeyi tarafından soğurulan enerji kuvantumu sayısı da bu oranda artar. Yani düşük şiddetli ışıkta daha az sayıda elektron sökülür. Buna karşın; sökülen bu elektronların maksimum hızı, şiddetli ışıkta (aynı frekansta) sökülen elektronların maksimum hızı ile aynıdır.Ancak, ışığın dalga modelinde düşük şiddetteki ışıkta sökülen elektronların hızından daha düşük olması beklenir.
3) Işık, metal yüzeyinden ancak metal için karakteristik olan eşik frekansı fe ye ulaştığında elektron sökebilir. Işığın dalga modelinde elektron sökülmesinin böyle bir başlangıç ışık frekansına bağlılığı açıklanamaz.
FOTOELEKTRİK OLAYI
Havası alınmış saydam bir kabın içinde 2 adet elektrot (katot ve anot) bulunsun. (Şekil 1) Yüzeyi metalle kaplanan (örneğin Sezyum) katot üzerine ışık düşünce, devreden geçen bir akım ampermetre ile ölçülür.
Bu akım nasıl oluşur?
Elektronlar katottan, düşen ışık yardımıyla sökülürler. Daha sonra pozitif yüklenmiş anot tarafından çekilirler. Katotta elektron salınması nedeniyle oluşan elektron eksikliği, ampermetre üzerinden elektronların akmasına neden olur. Bunun sonucunda devreden geçen bir akım If (fotoakım) ölçülür.
Metal yüzeyinden bu şekilde elektron sökülmesine fotoelektrik olay veya ışık elektrik etkisi, sökülen elektronlara da foto elektronlar denir.
Elektronlar, metal yüzeyinden ancak gerekli enerjiye ulaştıklarında kurtulabilirler. Bu enerjiye bağlanma enerjisi Eb veya eşik enerjisi denir. Bu, metaller için ayırıcı (karakteristik) bir özelliktir. (Tablo 1) Genellikle atom ve molekül fiziğinde, bu enerji elektron volt (eV) birimiyle ifade edilir.
Foto elektronların kinetik enerjilerini ölçmek için, fotoselin elektrotlarının kutuplarını değiştirelim. Böylece oluşan elektrik alanından dolayı (başlangıçta pozitif elektrot şimdi negatif olduğundan), artık foto elektronlar yavaşlayacaklardır. Gerilimi artırdıkça bu yavaşlama artacaktır. Belli bir gerilim değerine ulaşıldığında ise artık devreden fotoakım geçmeyecektir. (If = 0) Gerilimin bu değerine, kesme potansiyel farkı denir ve Vk ile gösterilir.(Şekil 2) Bu durumda en hızlı elektronun kinetik enerjisi, tamamıyla sonradan oluşturulan elektrik alanını yenmek için harcanmıştır. Yani en hızlı foto elektronun kinetik enerjisi Ekxn(mak.) = e Vk dir. Vk ; örneğin sarı ışık için 0,40 V, mavi ışık için 1,05 V dur. Eğer foto elektronun sahip olabileceği en büyük (maksimum) kinetik enerjisini, ışığın frekansına bağlayan bir grafik çizersek, buradan elektronun maksimum kinetik enerjisinin ışığın frekansıyla arttığı sonucuna ulaşırız. f frekansıyla Ekxn(mak.) kinetik enerjisi arasında, doğrusal bir ilişki vardır.