Fotovoltaik etki ve solar hücrelerin çalışma prensibi

11 Temmuz 2009

Fotovoltaik teriminin anlamı, ışığın solar hücreler sayesinde elektrik enerjisine dönüştürülmesidir. Silisyum, galyum arsenik, kadmiyum tellürid ya bakır indiyum diselenit gibi yarı iletken malzemeler solar hücrelerin üretiminde kullanılır. Kristal solar hücre en çok tercih edilen seçenektir. 2006 yılı sonu rakamlarına göre silisyum kristalin pazar payı %95 idi.  

Bir solar hücre nasıl çalışır?

Solar hücrelerin nasıl çalıştığı aşağıdaki şekilde kristal silisyum özelinde gösterilmektedir. Bir güneş enerjisi solar hücresi için kristal kalitesinde yüksek saflıkta silisyuma ihtiyaç duyulur. Kristal yapı içinde her bir silisyum atomunun 4 adet bağ elektronu bulunur. Bu elektronlara valans elektronu adı verilir. Kararlı ve sağlam bir elektron konfigürasyonu ortaya çıkarmak için kristal kafes yapısı içinde, komşu atomların elektronları birbirleriyle bir elektron çifti bağı kurarlar. Her bir silisyum atomu komşu 4 adet silisyum atomuyla elektron çifti bağı kurar. Bu elektron bağları, ısı ve ışık gibi dış etmenler yüzünden kırılabilir. Bağın kopmasıyla serbest kalan elektron, arkasında bir adet boşluk bırakarak harekete geçer. Bu olaya saf iletkenlik adı verilir.

Saf iletkenlik elektrik üretiminde kullanılamaz. Silisyumdan elektrik enerjisi elde edebilmek için kristal kafes yapısı içine katkı atomlarının yerleştirilmesi gerekir. Bu atomlara katkılama atomu adı verilir (aşağıdaki şekil). Katkılama atomu olarak fosfor kullanılırsa, en dış elektron kabuğunda silisyumunkinden bir adet fazla, bor kullanılırsa da silisyumunkinden bir adet eksik elektron bulunur. Bu şekilde katkılama atomları sayesinde kristal kafes yapı içine katışık atom dediğimiz yabancı atomlar yerleştirilir.

Fosforla katkılandırma (n - katkı) yapıldığında, kristal kafes yapı içindeki her bir fosfor atomu için bir adet fazlalık elektron bulunur. Bu elektron kristal içinde serbest olarak hareket eder. Bu da elektrik akımının doğmasına yol açar. Borla katkılandırma (p - katkı) ise, kafes içindeki her bir bor atomu için bir adet boşluk (bağda eksik elektron) bulunur. Komşu silisyum atomlarındaki elektronlar bu boşlukları doldurabilir, bu da başka bir yerde bir boşluğun oluşması anlamına gelir. Katkılandırma atomlarına dayanan iletim metodu katışık iletim ya da dışsal iletim olarak bilinir.

Eğer p ve n katkılı yarıiletken tabakaları yan yana getirilirse bir p - n (pozitif - negatif) kavşağı meydana gelir. Bu ortak alanda, n - yarıiletkenindeki fazlalık elektronlar p - yarıiletkenine doğru kayar. Bu da serbest yük taşıyıcı sayısının az olduğu bir alanın oluşmasına sebep olur (bir sonraki şekil). Bu alana yük tüketim alanı denir. Artı yüklü katkı atomları bu geçiş alanının n - bölgesinde kalırken, eksi yüklü katkı atomları geçiş bölgesinin p - bölgesinde kalır. Bu alanda, yük taşıyıcılarının hareketine karşı koyan bir elektrik alan doğar. Bu da yük difüzyonun devam etmesinin önüne geçer.   

Bir p - n yarı iletkeni (solar hücre) güneş ışığına maruz kaldığında, güneş ışığındaki fotonlar solar hücrenin elektronları tarafından absorbe edilir. Bu enerji girişi elektronlar arasındaki bağların kopmasına sebep olur. Serbest kalan bu elektronlar n - bölgesindeki elektrik alana doğru çekilir. Elektron hareketinden dolayı açığa çıkan boşluklar da elektronlara zıt yönde p - bölgesine doğru hareket eder. Bu sürecin tamamına fotovoltaik etki denir. Yük taşıyıcılarının elektrik kontaklarına doğru hareketi solar hücre içinde bir gerilimin açığa çıkmasını sağlar. Bu gerilim hücreye her hangi bir yükün bağlanmadığı koşullardaki açık devre gerilimidir. Bu değeri güneş enerjisi solar PV panel kataloglarında görebilirsiniz. Elektrik devresi kapalı hale gelirse, bir akım ortaya çıkar.

Bazı elektronlar, elektrik kontaklarına ulaşamazlar, bunun yerine tekrar bir atoma bağlanıp serbest konumlarını kaybederler. Bu olaya rekombinasyon (yeniden birleşme) denir.