Kristal Silisyum Solar Hücreleri

01 Ocak 2010

Kristal solar hücrelerde en önemli materyal silisyumdur. Silisyum oksijenden sonra doğada en çok bulunan ikinci elementtir. Fakat doğada saf halde bulunmaz, oksijenle bileşik şekilde kuvars ya da kum formunda bulunur.

Güneş enerjisi solar hücre üretimi için ilk olarak istenmeyen element olan kumun silisyumdan ayrıştırılması gerekir. Bunun için, kuvars, kum karbon tozu, kok kömürü ve aktif kömür ile birlikte elektrik ark ocağında 1800 – 1900 dereceye kadar ısıtılır. Bu işlem sonucunda karbon monoksit ve %98 saflıkta metalürjik silisyum olarak bilinen madde açığa çıkar. Fakat %2 kirlilik oranı bile elektronik uygulamaları için oldukça yüksektir. Güneş enerjisi solar PV uygulamalarında kullanılacak silisyumun kirlilik oranı milyarda bir mertebelerinde olmalıdır. Bu oran elektronik uygulamalarında 10 kat daha azdır.

Bu yüzden hammadde halindeki silisyum kimyasal işlemlerle saflaştırılır. Silisyumun gaz formundaki hidrojen kloritle (hidro klorik asit) reaksiyona girmesiyle hidrojen ve triklorsilan (31 ^oC buharlaşabilen bir sıvı) meydana gelir. Kirlilik oranı gereken seviyeye düşünceye kadar bu bileşen defalarca damıtma işlemine sokulur.

Bu kimyasal süreçler için piyasada genel kabul görmüş Siemens İşlemi olarak bilinen kimyasal buhar çökeltimi metodu uygulanmaktadır. Siemens İşleminde triklorsilan ve hidrojenden ultra saflıkta silisyum üretilir. Triklorsilan ve hidrojen yüksek saflıktaki ince silisyum çubuklarının bulunduğu reaktörlere enjekte edilir ve 1000 – 1200 dereceye kadar ısıtılır. Bu proses sonucunda üretilen silisyum polikristal yapıdadır ve polisilikon olarak bilinir. Çubuklar üzerilerinde saf silisyumun birikmesiyle kalınlaşır ve çapları 10 – 15 cm.ye ulaşır. Bu silindirler külçeler halinde parçalara ayrılırlar ileride solar hücreye dönüştürülecek olan monokristal ya da polikristal silisyum yonga plakalarının hammaddesi olarak kullanılırlar.

Güneş enerjisi solar PV hücrelerinin üretiminde kullanılan silisyumun saflık derecesi elektronik sanayinde kullanılan silisyumun saflık derecesi kadar yüksek olmadığı için solar fotovoltaik endüstrisi yarı iletken endüstrisinin atıklarını kullanmıştır. Fakat bu atıklar 1998 yılından beri güneş enerjisi sektöründe hızla artan talebi karşılamakta yetersiz kalmaktadır. Bunun yerine direkt olarak güneş enerjisi solar fotovoltaik sektörüne yönelik elektronik silisyum kalitesinden çok az daha düşük kalitede ve daha düşük maliyetli silisyum (solar sınıf silisyum ya da solar silisyum) üretimi yaygınlaşmıştır.

Bu metotlardan bazıları şunlardır;

Bazı solar silisyum üreticileri akışkan yatak reaktörleri kullanmaktadır. Bu metotta akışkan yatak içerisine çok küçük silisyum parçaları atılmaktadır. Triklorsilan ya da silan hidrojenle beraber reaktöre enjekte edilir. Triklorsilan için 1000 ^oC silan için de 700 ^oC'de bu bileşenlerdeki silisyum parçacıklar üzerinde birikir. Gittikçe büyüyen parçacıklar reaktörün tabanına çöker ve bu sayede silisyum granülleri elde edilmiş olur.

Tüp reaktör prosesi ise Siemens İşlemine benzemektedir. Fakat çubuklar yerine 800 ^oC'ye kadar ısıtılması gereken (hammadde olarak silan kullanılır) içi boş silisyum silindirler kullanılmaktadır.

Japonya’da geliştirilen buhar – sıvı çöküntüsü (VLD) prosesinde hidrojenle beraber bir reaktörde tutulan gaz formundaki triklorsilandan 1500 ^oC'ye kadar ısıtılan grafit tüp üzerine silisyum biriktirilir. 1410 – 1500 ^oC'de sıvı hale geçen silisyum reaktörün dibine çöker ve soğuyarak granüle dönüşür.

Tetrakloriti kullanan diğer prosesler direkt olarak çinkoyla indirgenen ya da metalürjik silisyumla işleme başlayan ve plazma torçu ya da silikon karpiti kullanarak saf silisyum arıtan işlemlerdir.