Fotovoltaikler: Güneş Enerjisi ve Güneş Pilleri Teorisi ve Uygulaması
Aug 28, 2015

Kelime   Fotovoltaik   Yunan sözcüğünün Işık ve fizikçi Allesandro Volta'nın birleşimidir. Güneş ışığının doğrudan güneş enerjisi vasıtasıyla enerjiye dönüştürülmesini tanımlar. Dönüştürme işlemi, Alexander Bequerel tarafından 1839'da keşfedilen fotoelektrik etkiyi temel alıyor. Fotoelektrik etki, ışığın yüzeyine çarptığında katı bir halde pozitif ve negatif yük taşıyıcılarının salınmasını tanımlıyor.

Bir Güneş Pili Nasıl Çalışır?

Güneş pilleri çeşitli yarı iletken malzemelerden oluşur. Yarıiletkenler, ışık veya ısı verildiğinde elektriksel olarak iletken hale gelir, ancak düşük sıcaklıklarda izolatör olarak işlev gören malzemelerdir.

Dünya çapında üretilen tüm güneş pillerinin% 95'inden fazlası yarıiletken malzemeden Silicon (Si) oluşur. Yerin kabuğunda ikinci en bol öğe olan silikon, yeterli miktarda mevcut olmanın avantajına sahiptir ve ayrıca malzemeyi işlemek çevreye yük olmaz. Bir güneş pili üretmek için, yarı iletken kirlenmiş veya "katkılı". "Doping", yarıiletken malzemeden pozitif yük taşıyıcıları (p iletken yarı iletken katman) veya negatif yük taşıyıcı (n iletken yarı iletken katman) fazlalığını elde edebilen kimyasal öğelerin kasıtlı olarak verilmesidir. İki farklı şekilde kirlenmiş yarı iletken katmanlar bir araya getirilirse, katmanların sınırında pn-birleşmesi adı verilen bir sonuç oluşur.

  • Kristalin bir güneş pilinin modeli

Bu kavşakta, ışıkla serbest bırakılan yük taşıyıcılarının ayrılmasına yol açan bir iç elektrik alanı oluşur. Metal kontaklar sayesinde bir elektrik yükü atılabilir. Dış devre kapalıysa, yani bir tüketici anlamına gelirse, doğru akım akar.

Silikon hücreler yaklaşık 10 cm x 10 cm genişliğindedir (yakın zamanda 15 cm x 15 cm). Şeffaf bir yansıma önleyici film hücreyi korur ve hücre yüzeyi üzerindeki yansıma kaybını azaltır.

Güneş Pilinin Özellikleri

  • Si-güneş pilinin akım-gerilim hattı

Güneş pillerinden gelen kullanılabilir gerilim yarıiletken malzemeye bağlı. Silikonda yaklaşık 0,5 V'dur. Terminal voltajı ışık radyasyonuna zayıf şekilde bağımlıdır, akım şiddeti ise daha yüksek parlaklık ile artmaktadır. Örneğin 100 cm²'lik bir silikon pil, 1000 W / m² ile yaydığında yaklaşık 2 A'lık maksimum bir akım yoğunluğuna ulaşır.

Bir güneş pilinin çıktısı (elektrik ve voltajın ürünü) sıcaklığa bağlıdır. Daha yüksek hücre sıcaklıkları daha düşük çıktıya neden olur ve dolayısıyla verimliliği düşürür. Verimlilik seviyesi, ışınlanan miktarın ne kadarının kullanılabilir elektrik enerjisine dönüştüğünü gösterir.

Farklı Hücre Çeşitleri

Kristalin türüne göre üç hücre türünü ayırt edebiliriz: monokristalin, polikristalin ve amorf. Bir monokristal silikon hücre üretmek için kesinlikle saf yarı iletken malzeme gereklidir. Monokristalin çubuklar erimiş silisyumdan ekstrakte edilir ve daha sonra ince tabakalara kesilir. Bu üretim süreci nispeten yüksek bir verimlilik sağlar.  
Polikristal hücrelerin üretimi daha uygun maliyetlidir. Bu işlemde sıvı silikon bloklara dökülür ve daha sonra bu parçalar plakalar halinde kesilir. Materyalin katılaşması sırasında, boyutları değişen kristal yapılar oluşur, sınırları kusurlar ortaya çıkar. Bu kristal kusurunun bir sonucu olarak, güneş pili daha az verimlidir.  
Bir silikon film cam veya başka bir alt katman malzemesine çökeliyorsa, bu, amorf veya ince katmanlı bir hücre olarak adlandırılır. Tabaka kalınlığı 1μm'den daha azdır (insan saçı kalınlığı: 50-100 μm), bu nedenle düşük malzeme maliyetlerinden dolayı üretim maliyetleri daha düşüktür. Bununla birlikte amorf hücrelerin etkinliği diğer iki hücre tipinden daha düşüktür. Bu nedenle, öncelikle düşük güçlü ekipmanlarda (saatler, cep hesap makineleri) veya cephe elemanları olarak kullanılırlar.

Malzeme

Laboratuarda% verimlilik düzeyi

Üretim% verimlilik düzeyi

Monokristal Silikon

yaklaşık. 24

14 to17

Polikristalin Silikon

yaklaşık. 18

13-15

Amorf Silikon

yaklaşık. 13

5 ila 7

Hücreden Modüle

Uygun voltajları ve çıktıları farklı uygulamalar için kullanılabilir kılmak için, tekli güneş pilleri daha büyük üniteler oluşturmak üzere birbirine bağlanır. Seri olarak bağlanan hücreler daha yüksek voltaja sahiptirler, buna paralel bağlananlar daha fazla elektrik akımı üretirler. Birbirine bağlı güneş pilleri genellikle alüminyum veya paslanmaz çelik çerçeve ile donatılmış şeffaf Etil-Vinil-Asetata gömülür ve ön tarafta şeffaf cam ile kaplanır.

Bu tip güneş modüllerinin tipik güç değerleri 10 Wpeak ve 100 Wpeak arasındadır. Karakteristik veriler, 25 ° C hücre sıcaklığında 1000 W / m² güneş radyasyonunun standart test şartlarına atıfta bulunmaktadır. Üreticinin on veya daha fazla yıllık standart garantisi oldukça uzun sürer ve bugünün ürünlerinin yüksek kalite standartlarını ve ömrünü gösterir.

Verimliliğin Doğal Sınırları

  • Standart koşullarda çeşitli güneş pillerinin maksimum verimlilik seviyeleri

Üretim süreçlerini optimize etmenin yanı sıra, güneş pilleri maliyetlerini düşürmek için verimlilik seviyesini artırmak için de çalışmalar yapılmaktadır. Bununla birlikte, farklı kayıp mekanizmaları bu planlar üzerinde sınırlar belirlemektedir. Temel olarak, farklı yarı iletken malzemeler veya kombinasyonlar, spesifik spektrum aralıkları için uygundur. Bu nedenle, ışın enerjisinin belirli bir kısmı kullanılamaz, çünkü ışık kuantumunun (fotonlar) yük taşıyıcılarını "harekete geçirmek" için yeterli enerjisi yoktur. Öte yandan, belli miktarda fazla foton enerjisi, elektrik enerjisine değil de ısınmaya dönüştürülür. Buna ek olarak, cam yüzeyi ile temas veya hücre yüzeyi üzerindeki gelen ışınların yansıması yoluyla hücre yüzeyinin gölgelenmesi gibi optik kayıplar vardır. Diğer kayıp mekanizmaları, yarı iletken ve bağlantı kablosundaki elektrik direnci kayıplarıdır. Bununla birlikte, maddi kontaminasyon, yüzey etkileri ve kristal kusurlarının bozucu etkisi de önemlidir.  
Tek kaybolma mekanizmaları (çok az enerji tüketen fotonlar absorbe edilmez, fazladan foton enerjisi ısınmaya dönüşür), materyallerin kendilerinin dayattığı fiziksel limitler nedeniyle daha da geliştirilemez. Bu, kuramsal bir maksimum verim seviyesine, yani kristal silikon için yaklaşık% 28'e yol açar.

Yeni Yol Tarifleri

Yansıma kaybını azaltmak için yüzey yapılandırması : Örneğin, hücre yüzeyinin bir piramit yapısında oluşturulması, böylece gelen ışık birkaç kez yüzeye çarpar. Yeni malzeme: örneğin, galyum arsenit (GaAs), kadmiyum tellürür (CdTe) veya bakır indiyum selenit (CuInSe²).

Tandem veya istiflenmiş hücreler : geniş bir spektrumdaki radyasyonun kullanılabilmesi için, farklı spektrum aralıklarına uyan farklı yarı iletken malzemeler birbiri üzerine konacak.

Konsantrasyon hücreleri:   Ayna ve mercek sistemleri kullanılarak güneş hücrelerine daha yüksek ışık yoğunluğu odaklanılacaktır. Bu sistem güneşi her zaman doğrudan radyasyonu kullanarak izler.

MIS Inversion Layer hücreleri:   Iç elektrik alanı bir pn birleşimiyle değil, ince bir oksit katmanın bir yarıiletkenle birleşmesiyle üretilmez.

Grätzel hücreleri:   Elektrolit olarak titanyum dioksitli elektrokimyasal sıvı hücreler ve ışık emilimini artırmak için boya.

Alman Güneş Enerjisi Vakfı'nın (Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie eV) izni ile kullanılan metinler ve resimler

Güneş ısıtma ve fotovoltaik alanındaki temel kavramların kısa ve anlaşılır açıklaması Solar-Lexicon'da bulunabilir.

Teknolojiye, iş dünyasına ve siyasete ilişkin raporların yanı sıra yenilikçi sistemler ve ürünler hakkında sunumlar Solar Dergisinde bulunabilir

İlgili Sanayi Bilgi