GÜNEŞ PİLLERİ

Elektrik Y .Müh. Ahmet Bozkurt Ankara Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi

1.GİRİŞ

İnsanoğlunun yüzyıllardır bilgi birikimi yaptığı, diğer lerine göre sınırlı olanaklar içinde teknolojik bilimsel araştırmalar yürüttüğü bir alan "Güneş Enerjisinden yararlanma" özellikle 73 74 petrol krizinden sonra birdenbire büyük önem kazanıp birincil araştırma alanlarından biri olmuştur. Y eryüzüne ulaşan güneş enerjisinin ortalama 8 0 0 W / M 2 olduğunu gözleyen uzmanlar, yeryüzüne düşen enerjinin 1/1000'i ile tüm insanlığın enerji gereksiniminin karşılanabileceğine dikkat çekmişlerdir. Bu büyük potansiyelin değerlen dirilmesinin nasıl yapılabileceği, hangi yöntemin ne kadar ucuzlayıp hangi geleneksel enerji kaynağının yerini alacağı henüz belirlenmiş değildir.

Güneş pilleri, güneş enerjisinden yararlanma yöntem lerinden yanlızca birisi ve en verimli olanıdır. Güneş pilleri son yıllarda tüm dünyada önemli araştırma alanlarından birisi haline gelmiştir.

Güneş pilleri fotovoltaik aygıtlardır, bir başka deyişle ışık gerilim dönüştürücü düzeneklerdir. Fotovoltaik o lay, elektrolümünansın, yani elektriksel enerjinin ışı maya çevrildiği olayın tersidir. Güneş pilleri en basit ifadeyle geniş yüzey alanlı p n eklemlerinden oluşur lar.

2. FOTOVOLTAİK OLAY HAKKINDA TARİHSEL BİLGİ

Enerji dönüşümüne olanak veren birçok düzeneklerin dayandıkları ilkeler gibi fotovoltaik olay da yeni bir buluş değildir. 1839'da Edmund Beccjuerel. bir elek trolit içine batırılan elektrotlardan biri üzerine ışık düşürüldüğü zaman bunlar arasında bir gerilim farkı o luştuğunu bulmuştur. Olayın katılarda oluşumu, ilk kez 1 8 7 7 ' d e W . G. Adams ve R.E. Day tarafından se lenyum ile yapılan denemede gözlenmiştir. Katılarla uğraşan diğer araştırmacılar arasında bakır oksit ve selenyum ile fotovoltaik pili gerçekleştiren Schotty, Lange, Grondahl önemli bir yer alırlar. Bu çalışmalar foto elektrik pozometrelerin felişmesine yol açmıştır.

Araştırmacılar, 1 9 5 4 ' de güç kaynağı yapımında, f o tovoltaik olaydan yararlanma yoluna yöneldiler. Bu

yıllarda RCA ve Bell Telephone laboratuvarlarındaki araştırma grupları P tipi ve N tip yarı iletkenlerde o luşturulan P N eklemi ile % 6 verim sağladılar. Bu ilk P N eklemleri kadmium sülfür ve silisyum ile sağlan mıştır. Daha sonraları silisyum P N eklemi ile % 15, hatta son yıllarda % 21'e varan dönüşüm oranı oluş turmak sağlanmıştır.

3.FOTOVOLTAİKOLAY

Yeter enerjide (hV > Eg, burada h Planck sabiti, V radyasyonunun frekansı ve Eg yasak enerji band ara lığıdır) bir ışık demeti P N eklemi üzerine düştüğünde görülen fiziksel olay Şekil 1. de gösterilmektedir. Bir ışık demeti aynı zamanda bir foton demetidir. Ato mik boyutlar küçük olduğu için bir foton, bir özgür elektron veya bir değer elektronu ya da bir boşluk ile karşılaşabilir. Bir elektronla karşılaşan bir foton ona enerjisini verir. Bir fotonun bir özgür elektronla karşı laşması ve ona enerjisini verme olasılığı zayıftır.

Bir foton bir değer elektronu ile karşılaşır ve ona ya sak band gelişliği Eg'ye eşit veya ondan daha büyük bir enerji verirse, değer bandından sökülen elektron arkasında bir boşluk bırakarak iletkenlik bandına ge çer. Şekil 1. de belirtildiği gibi, bu olay eklemin çe şitli noktalarında oluşursa (şekil de 1 numara ile gös terilmiştir) elektrik alan elektronu N tipi bölgeye, boşluğu da P tipi bölgeye doğru hızlandırır. Bu yük hareketi N tipi bölgeden P tipi bölgeye pozitif yük geçişine denktir. Bu geçişte N tipi bölge negatif, P ti pi bölge de pozitif olarak yüklenmektedir.

Elektron boşluk çifti N tipi bölgede oluşursa (bu du rum şekilde 2 numara ile gösterilmiştir) azınlıkta olan yük taşıyıcısı, P tipi bölgeye geçer. Bu durumda yine, N tipi bölgeden P tipi bölgeye bir pozitif yük geçişi vardır.

Çoğunlukta olan yük taşıyıcılarının hareket yönünün pek önemi yoktur, genellikle bunların enerjileri geri lim duvarını aşmak için yeterli değildir. Elektron boş luk çifti P tipi bölgede oluşursa (şekil de 3 numara ile gösterilmiştir) elektron ekleme doğru hareket eder ve onu aşarak N tipi bölgeye ulaşır. Bu durumda yine N tipi bölgeden P tipi bölgeye bir pozitif yük geçişi var demektir.

Eklemden uzakta oluşan elektronlar ve boşluklar ye niden birleşirler ve böylece bir elektron boşluk kay bolur. Bu durum şekilde 4 ve 5 numara ile gösteril miştir.

Bir azınlık yük taşıyıcısı birçok çarpışmayla karşı karşıya 1<alır ve rastgele doğrultularda hareket eder ve bu durum yakalanıncaya kadar sürer. Eğer yük taşıyı cı düzensiz hareketi anında ekleme doğru yönelmiş o lursa, eklemdeki elektrik alanın içeriğinden dolayı ek

lemi aşabilir. Azınlık yük taşıyıcısı eklem etrafında bulundukça onun eklemi aşma olasılığı büyüktür.

Azınlık yük taşıyıcısının ekleme olan uzaklığı, bir azınlık yük taşıyıcısının bir çoğunluk taşıyıcısı ile bir leşmeden önceki ortalama yolunu gösteren bir yayıl ma uzaklığı ile ölçülür. N bölgesinden P bölgesine bir pozitif yük geçişine olanak veren eletron boşluk çif tinin eklemden d uzaklıkta oluşma olasılığı e d/L ye denktir. L yayılma uzaklığı soğrulan bir fotonun ek lemden geçen elektrik akımına dönüşme şansının bü yük olduğu uzaklıktır. L yayılma uzaklığı yük taşıyı cılarının yoğunluğuna ve kristalin oluşma biçimine bağlı olmak üzere 10"4 m ve 10"6 m arasında değişir.

Buraya kadar açıklanmasına çalışılan özelliklerden anlaşılacağı gibi fotonlar tarafından oluşturulan akım dan yararlanabilmek için, önce P N ekleminin ışık alması sağlanmalı ve sonra oluşan akım bir dış devre ye yansıtılmalıdır.

Foton soğruİması ile oluşan yük taşıyıcılar çoğunluk la oldukları bölgelere doğru sürüklenirler. Bu durum da eklemden bir \$ akımı geçer. Böylece P tipi bölge pozitif, N tipi bölge negatif olarak yüklenir.

ls akımının geçişi P N ekleminin ileri yönde eğilim lenmesine neden olur ve bu durumda eklemdeki geri lim duvarı alçalır. Eklemin bir dış bağlantısı yoksa bu ileri yöndeki eğilimlemeden dolayı ileri yönde (P ve N ye doğru) bir I akımı geçer. Bu I akımının geçişi, N tipi bölgeyi pozitif yükleyeceğinden, çoğunluk yük taşıyıcılarının geçişine engel oluşturan gerilim duvarı yükselmeye başlar. P den N ye doğru olan bu akım, gerilim duvarı çoğunluk yük taşıyıcılarının geçişine engel oluşturacak duruma gelinceye kadar sürer. Ye niden foton soğurulması olur. Eklemde var olan elek trik alan, oluşmuş olan elektron boşluk çiftini ayıra rak bunların eklemi aşmalarını sağlar. Böylece gerilim duvarının çökmesi, sonra yükselmesi sürüp gider ve a çık devre durumunda Is akımı I akımı ile dengelenmiş olur.

P tıp

N tip

000000

\i_

Şekil 1: Fotovoltaik akım üretiminin fiziksel meka nizması

ELEKTRİK MVHEN.DİSLİĞ1 299

P N eklemi dışarıdan bir R1 yük direnci ile sonlandı rılırsa ls akımının lj_ kadar kısmı 'dış devreden akar, böylece P N eklemi ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirmiş olur. l$ akımı

bağıntısı ile verilir.

ileri yönde akımın I = l0 ( e ' e V k T 1) değeri ls yi ve ren eşitlikte yerine konulursa aşağıdaki bağıntı elde edilir.

's = 'o ' e

"1) "*• ' L

(2)

Renk ve sıklık bileşimleri verilen bir ışık demeti için

ls akımı ışık şiddeti ile orantılıdır.

Şekil 2: Işık enerjisinin elektrik enerjisine çevrilmesi.

4. FOTOVOLTAİK Pİ Lİ N (ışık pili, güneş pili) EŞDEĞER DEVRESİ. Bir fotovoltaik pil, fotonların oluşturduğu akımın geçmesini sağlayan bir diyot'a paralel bağlı bir basit akım kaynağı gibi davranır.

r . e(VL+l

Işfc girişi s(\)

Şekil 3: Güneş pili eşdeğer DC modeli.

Burada:

A : 1 ve 5 arasında eğriye uygun keyfi olarak seçile

cek bir değişmez.

Rj : pil seri direnci

R5I I: Paralel direnç

lj_ : pil çıkış»akımı

ls : ışığın ürettiğin akım

lo :diyod saturasyon akımı

o

elektronik yük

Vj_ pil terminal voltajı

Boltzman değişmezi

T

Mutlak sıcaklık

Üstel işlevdeki VL + lj_ ifadesi gerçekte diyod

voltajı V ye eşittir. Şekil 2. ve 3. görülen Rs direnci pilin iç direncini oluşturur. Şekil 3. göre gerilim dü

şüşleri için aşağıdaki özdeşlikler yazılabilir.

buradan

= VL+ILRS

(4)

VL = V I L R S

(5)

verilen bir l$ için VL yük gerilimi

kT

's 'L

VL = e

) Rj I L

(6)

lo

eşitliği bulunur. V L ' Y " arttırmak için l0 akımını (ek

lem ters akımını) azaltmak gerekir. Düzgün olmayan

eklem, arzu edilmeyen yabancı maddeler ve kristal

yapıdaki boşluklar l0 akımının artmasına neden olur lar.

IL(mA)

40 =^v 30İ

1\ Rs= 0 (İdeal)

20 Max.güç dikdörtgeni

0.1 0.2 0,3 0.4

Şekil 4: Güneş Pili I V öz eğrisi.

V. (V)

Y ükten geçen akım aynı zamanda Rj direncinden geçtiği için verilen IL akımı için pilin içinde bir geri lim düşmesi olacağından yük direnci uçları arısındaki gerilim farkı azalır.

Şekil 4. den görüleceği gibi kuramsal olarak çizilen eğri (Rj = 0) ile uygulama sonuçlarına göre çizilen eğri (Rj = 4) arasında büyük bir uyum vardır.

Yüke sağlanan güç VL ve IL ile sınırlanan dikdörtgen ile verilmektedir. İç direnç çıkış gücünün azalmasına neden olur.

(6) bağıntısında görülen ls akımı ışık yeğinliği ile o rantılı olduğundan, aynı dalga boyunda fakat farklı yeğinlikteki ışık demetleri için IL nin dolayısıyla VL nin aynı olamayacağı açıktır.

Açık devre durumunda IL =0 dır. •

's = 'o (e ' 1) biçimine girer ve buradan açık devre gerilimi için

V0 = VT kT eşitliği bulunur. ( V j =

(7) ısıl güç)

Eğer T değişmez kalır ise Vo ışık yeğinliği ile orantılı olmak üzere ls ve lo'ın işlevi olarak değişir.

5. GÜNEŞ PİLLİNİN VERİMİ

Verilen bir V için yük direncinden geçen akım

lL = l s

l = ls

l (eeV/kT 0

1)

(8)

çıkış gücü

P=lLV=lls lo(eeV/kT 1)IV

(9)

Bu eşitliğin V'ye göre türevi alınır ve sonra sıfıra eşit lenirse gücü maksimum yapan gerilimi yeren bağıntı saptanır.

Maksimum güce karşılık olan akım;

= lS 'o(eeVmax/kT D

(10)

l=lo(eeV/kT D

(11)

" l m a x l+eVmax/kî

's ° + ls

]

(11) eşitliği göz önüne alınarak lmax için aşağıdaki

bağınta bulunur.

Maksimum güç

eVmax/kT , 'o , , %

Pmax = lmaxVmax =

r T ' s ( 1 + ; ) O3)

ls

Genellikle l 0 , ls den beş ya da daha fazla küçük oldu

ğundan

(eVmax/kT Pmax =

ls Vmax

(14)

alınabilir.

Gelen ışınların getirdiği maksimum güç, fotonlarm Nph sayısı ile bir fotonun ortalama Eph enerjisinin çarpımına eşittir. Bunu dikkate alarak maksimum ve rim için:

nmm

=

(eVmax/kT) Vmax (1+eVmax/kTNph

ls Eph

(15)

bağıntısı bulunur.

Değer bandındaki bir elektronun özgür duruma gele bilmesi için gerekli olan Eg enerjisi büyük olduğu oranda, Eg den büyük enerjin fotonlarm sayısı azalır, l s / l 0 oranı, dolayısı ile Vmax büyür, bu durum n m , Eg nin işlevi olarak değişir. (15) bağıntısı basitleştiri lebilir. Bunun için kısa devre akımı ls = K n p n biçi minde yazılır, burada K yansıma, geçirgenlik ve çar pışmadan ileri gelen kayıpları içine alan bir değiş mezdir. Eğer K yaklaşık olarak 1 veya eVmax/kT birden çok büyük kabul edilirse,

nph Vmax 111 Nph. Eph

(16)

biçiminde yazılabilir. Bu bağıntı silisyum için uygu

lanırsa: nph birim yüzeye birim zamanda gelen ve bir

elektron boşluk çifti oluşturabilecek yeterli enerjiye

sahip foton sayısı silisyum için 2/3 Nph, ve maksi

mum güç geriliminin fotonlarm getirdiği enerjinin 1/3

kadarı olduğu dikkate alınırsa, verim için bulunan ku

ramsal değer % 22 olur.

6. PİLLERİN YAPIMI İÇİN UYGUN MADDELERİN SEÇİMİ

Fotovoltaik dönüştürücülerin yapımında kullanılan maddelerin seçiminde göz önünde tutulması gereken bazı özellikler vardır.

Fotovoltaik dönüştürücülerde kullanılan yarı iletken lerde iki olay oluşur. Birincisi, yasak band genişliğin den daha büyük enerjili fotonlarm soğurulmuş olanla rın n p n sayısının yasak band genişliği arttıkça azal masıdır. Yasak band aralığı artarken doyum akımı l0 azalır, bu durum çıkış geriliminde artışa neden olur. Yasak band aralığının artmasının l0 doyum akımının azalmasına neden oluşu l s / l 0 oranının logaritmasın dan dolayı açık devre geriliminin büyümesine yol açar. Bu iki özelliğin verimin maksimum değeri üzerindeki etkisi Şekil 5. de görüldüğü gibidir.

Bu çizimde güneş enerjisinin elektrik enerjisine dö nüştürülmesinde maksimum verim yasak bant aralığı nın işlevi olarak verilmektedir. Çeşitli maddeler için

ölçülen maksimum verimler, yasak bant aralığı üze rinde çapraz ile gösterilmiştir. Çizimde görülen eğri ise; atmosfer dışında bulunduğu düşünülen düşüncel bir diod için Loferski tarafından kuramsal hesaplama lara göre çizilmiştir. Kuramsal sonuçlara göre çizilen eğri yasak bant aralığı 1.1 ve 2.3 eV arasında olan maddeler için silisyumunkinden daha büyük bir geri lim verim değeri vermektedir. Yasak bant genişliği bu araya düşen maddeler şunlardır: indium fosfor, l n p (1,27 eV); galyum arsenik, GaAs (136 eV); alümin yum antimuan, AlSb (1.49 eV); kadmium tellür, CdTe (1.5 eV)8 çinko tellür, ZnTe (2.1 eV); alümin yum arsenik, Al As (2.16 eV); galyum fosfor, GaP (2.24 eV).

CuInÜc

20 18 16

j

L10

6 4 2

|

«

0.5

1.0

2Û

Yasak enerji aralığı (eV)

Şekil 5: Yeryüzünde güneş ışığı altındaki güneş pille ri için yasak enerji aralığına karşı maksimum çevrim verimi..

7. GÜNEŞ PİLLERİNİN SINIFLANDIRILMASI

Güneş pillerinin sınıflandırılması literatürde çok deği şik kriterlere göre yapılmaktadır. Bunlar şöyle sırala nabilir.

1. Uygulama alanlarına göre 2. Pil yapımında kullanılan materyal ve işlem biçi mine göre 3. Pilin değişik katmanlarının biçimine göre 4. Pilin optik karakteristiklerine göre 5. Pillerin verimliliklerine göre 6. Pillerin hacim ve biçimine göre

Pil yapımında kullanılan materyal ve işlem biçimine göre sınıflandırma en yaygın şekilde kullanılanıdır. 2 numaralı bahsedilen kriter dikkate alınarak güneş pil lerinin sınıflandırılması aşağıdaki gibi yapılabilir.

a) Silikon piller b) Lithium katkı lanmış silikon piller c) N P ve N P p* Silikon piller d) Gallium Arsenide (GaAs) piller e) Cadmium Sulfide (Cds) piller f) Diğer pil tipleri

Diğer güneş pilleri başlığı altında metal insulator se miconductor (yarıiletken) [MİS], Metal oxide semi conductor [MOS], Schottky, GaAs ve GaAlAs kom binasyonları, CU2S ve Cds kombinasyonları sıralanabi lir.

Güneş ışıntarı

Ön metal elektrod (A l ) n t ipi Silikon p t i p i Silikon Arka metal elektrod ( Al)

Şekil 6: Silikon güneş pili yapısı

Yukarıda sıralanan güneş pilleri arasında schottky tipi diğerlerine göre yapımı daha kolay ve yapım maliyeti daha düşüktür. Schottky tipi güneş pili yapısı Şekil 7. de gösterilmektedir.

Güneş w nk r ı iiiii

Ön metal elektrad ( A l ) , 1 2 >ım Metal (Au)/5O~1 0OA° p tlpi Silikon, W n m

Artta metal elektrod t Al>, t ~ 3 >ı m

Şekil 7: Schottky tipi güneş pili yapısı

KAYNAKLAR

1. C. HILSUM:HANDBOOK OF SEMİCONDUCTO R Vol 4, North Holland Publlshlng Company, 1981

2. HAROLD J. HOVEL: SEMİCONDUCTORS and SEMİ METALS, Volume I I , Academlc Press, New Y ork, 1975

3. ALLEN M. BARNETT :Thin Film Solar CellS:A Unlfied Analysls of their Potential, lEEETrans.on Electron Devices, Vol. ED 27, No. 4, April 1980, PP 615 629

4. R. B. GODFREY and M. A. GREEN : A 15 % efflclent silicon MİS Solar celi, Appl. Phys. Lett. 33(7), 1 October 1978, pp 637 639

5. J. SHEVVCHUN : MİS and SİS solar Cells, IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. ED 27, No. 4, April 1980, pp 705 716