Fotovoltaik Teknoloji
Bölüm 6: Fotovoltaik Hücre Çeşitleri
Kristal Yapılı Hücreler
Mono-Kristal Yapılı Silikon Hücre
Poli-Kristal Yapılı Silikon Hücre
İnce Filmli Hücreler
Fleksibıl Fotovoltaik Hücreler
Çok Eklemli Hücreler
Nano-Fotovoltaik Hücreler
Dr. Osman Turan
Makine ve İmalat Mühendisliği
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
Fotovoltaik Hücre Çeşitleri
 Fotovoltaik teknolojideki gelişmelerin asıl amacı, sadece hücrelerin verimliliğini
artırmak değil, aynı zamanda üretim maliyetini de azaltmaktır.
 Böylece, fotovoltaik teknolojinin farklı uygulamalarda kullanılması olanağı ortaya
çıkacaktır.
 Mevcut fotovoltaik teknolojide güncel olarak kullanılan dört ana hücre tipi
bulunmaktadır:
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler
İncel Filmli Fotovoltaik Hücreler
Çok Eklemli Fotovoltaik Hücreler
Nano-Fotovoltaik Hücreler
Fotovoltaik Hücre Çeşitleri
 Güneş ışığı hücre yüzeyine ulaşınca, hücrenin bir tarafında bulunan katot
tabakasındaki uyarıcı elektronlar, iletkene doğru hareket ederek hücrenin diğer
tarafındaki anota çarparlar.
 Eğer anot ile katot birbirine bağlanırsa elektrik adını verdiğimiz elektron akışı
sağlanır.
 Bu durumda anot ile katot arasına bir ampül bağlanırsa, ampülün yandığı görülür.
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler
Tek Kristalli
(Mono-kristal)
Çok Kristalli
(Poli-kristal)
Verimleri yüksek
Üretim Maliyeti Yüksek
Verimleri Düşük
Üretim Maliyeti Düşük
Tane Sınırları
Mono-Kristal
Poli-Kristal
Mono-Kristal
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler: Mono-Kristal Si Hücre
 Mono-kristal silikon hücre, fotovoltaik hücre üretiminde en yaygın kullanılan
malzemelerden biridir.
 Mono-kristal silikon hücrelerin üretim maliyetleri yüksektir. Bu durum poli-kristal
silikon hücrelerin daha yaygın kullanımına neden olmuştur.
 Mono-kristal silikon hücrelerin ömürleri uzundur.
 Mono-kristal silikon hücrelerin yüzeyi siyah veya açık mavi renklidirler.
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler: Mono-Kristal Si Hücre
 Silikonun fotovoltaik hücre teknolojisinde yaygın olarak kullanılmasının başlıca
nedenleri:
 Elektriksel , optik ve yapısal özelliklerinin uzun süre değişmemesi
 Silikon üretim teknolojisinde önemli başarılar sağlanmış olması
 Saf mono-kristal silikon üretimi oldukça zor, zahmetli ve pahalı bir teknolojidir.
 Oksijenden sonra dünya üzerinde en çok bulunan silikon, en çok kum ve kuvars
biçiminde bulunur.
 Kum içerisinde bulunan silikon oranı çok yüksek olmadığı için kullanıma uygun
değildir.
 Kuvars %90’nı silikondur ve kuvars işlenerek %99 saflıkta silika elde edilir.
Ardından, silikandan metalurji kalitesinde silisyum elde edilir.
 Bunu izleyen aşamada, silisyum saflaştırılarak, yarı iletken özelliğinde poli-kristal
silikon elde edilir.
 Yarı iletken özellikte ve saf özellikte mono - kristalli silikon elde etmek üzere polikristal silikon yeniden eritilir, büyütülür.
 Çekirdekler, çok düşük hızla ergimiş silikon banyosundan çekilerek mono-kristal
silikon elde edilir.
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler: Mono-Kristal Si Hücre
Kuvars
Silika
Poli-Kristal
Silikon
Mono-Kristal
Silikon
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler: Czochralski Metodu
 Mono-kristal malzeme üretiminde kullanılan en genel teknik Czochralski Metodudur
(CZ Metodu).
 Bu teknikte, çekirdek olarak bilinen mono-kristal malzemenin küçük bir parçası, sıvı
fazda olan aynı malzemenin yüzeyi ile temas ettirilir ve daha sonra yavaşça eriyikten
dışarı çekilir.
 Çekirdek yavaşça çekildiği için katı ve sıvı yüzeyler
arasındaki düzlemler boyunca katılaşma meydana
gelir.
 Genelde, kristal eriyikten dışarıya düşük bir hızla
döndürülerek çekilir. Böylece eriyik karıştırılarak
içerisinde daha düzenli sıcaklık dağılımı elde
edilmesi sağlanmış olur.
 Bor ve fosfor gibi kirlilik atomlarının belirli bir
miktarı büyütme sırasında eriyik içerisine eklenerek
katkılama işlemi gerçekleştirilir.
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler: Poli-Kristal Si Hücre
 Poli- kristal malzemelerin iç yapısında yer alan tane sınırlarının büyüklükleri,
malzemenin elektriksel, optik ve yapısal özelliklerinin kalitesini etkiler.
 Tane sınırları arasındaki süreksizlikler, özellikle elektriksel yük taşıyıcıların
aktarılmasında önemli ölçüde engelleyici rol oynar.
 Bu durum, poli-kristal fotovoltaik hücrelerin verimlerinin mono-kristal hücrelere
göre daha düşük olmasına yol açar.
 Ancak poli-kristal silikon üretim teknolojisi, mono-kristal ile karşılaştırıldığında,
daha kolay ve daha az maliyetlidir.
Tane Sınırları
Mono-Kristal
Poli-Kristal
 Ticari poli-kristal silikon (pc-Si) fotovoltaik
hücrelerin verimleri %12-15 arasında değişir.
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler: Poli-Kristal Si Hücre
 Fotovoltaik endüstride maliyetleri azaltma ve üretim verimin artırma çabaları,
yeni kristalleştirme tekniklerinin geliştirilmesine neden olmuştur.
 Başlangıçta, silikon maliyeti 340 $/kg iken, Fotovoltaik endüstride yaygın olarak
poli-kristal malzeme kullanılmaktaydı.
 Ancak, zaman içerisine silikon fiyatları 50 $/kg’a kadar düşmesi ile birlikte, üretim
verimlerinin poli-kristallere göre %15 oranın daha düşük olmasına rağmen, monokristal üretim tercih edilir duruma gelmiştir.
İnce Filmli Fotovoltaik Hücreler
 Fotovoltaik hücre üretiminde kullanılan malzemenin ve işçiliğin azaltılması,
teknolojinin basitleştirilerek maliyetlerinin düşürülmesine yönelik yapılan
araştırma ve geliştirme çalışmaları , yarı iletken malzemenin geniş yüzeyler
üzerine ince bir film şeklinde kaplanmasını gündeme getirmiştir.
 İnce bir film yarıiletken malzeme büyüklükleri 1/103 – 1/106 mm arasında değişen
katmanlardan oluşur.
İnce Filmli Fotovoltaik Hücreler
 İnce filmli fotovoltaik hücrelerin verimleri, kristal silikon fotovoltaik hücreler kadar
yüksek değildir.
 İnce filmli fotovoltaik hücrelerin verimlerinin düşük olmasını temel nedeni,
kalınlıkları çok az olduğu için, hücre kalınlığında daha uzun dalga boylu güneş
ışınlarının hücre tarafından soğrulamamasıdır.
Mono-Kristal
Poli-Kristal
Verim: % 15-23
Verim: % 12-15
İnce film
Verim: % 8-12
 İnce filmli fotovoltaik hücrelerin üretimleri oldukça ucuzdur. Zira, ince film hücre
üretiminde kullanılan yarıiletken malzeme, kristal yapılı fotovoltaik hücre
üretiminde kullanılanın yalnızca %1-2’si oranındadır.
İnce Filmli Fotovoltaik Hücreler: Fleksibıl CIGS Hücreler
 İnce film teknolojisinde, son yıllarda ilgi, CIGS (Bakır İndiyum Galyum Selenid)
esaslı , metal veya plastik folyo üzerindeki fleksibıl fotovoltaik hücrelerin üzerine
kaymıştır.
 CIGS fleksibıl fotovoltaik hücrelerin en önemli avantajları, verimleri yüksek ve
kararlılıklarını uzun süre devam ettirebilmeleridir.
 Bununla birlikte, CIGS fleksibıl fotovoltaik hücreler uzaysal ışınıma karşı
toleranslarının, yaygın olarak kullanılan Si ve GaAs hücrelerden 2-4 daha fazla
oluşu nedeniyle, uzay uygulamalarında oldukça önemli bir potansiyele sahiptir.
 Yine bu teknolojinin en önemli avantajlarından
birisi, esnek yapıları sayesinde uygulanacak
geometrinin
tam
olarak
formunu
alabilmeleridir.
Dolayısıyla
geometriyi
bozmazlar.
Örneğin,
uçak
kanadına
uygulanabilirler ve kanadın aerodinamiğini
herhangi bir şekilde etkilemez.
Çok Eklemli (Kavşaklı) Fotovoltaik Hücreler
 Tek eklemli fotovoltaik hücrelerin verimleri maksimum %31 düzeylerindedir.
 Oysaki, güneş ışınım spektrumu daha etkin bir şekilde kullanılarak verim daha
yüksek düzeylere çekilebilir.
 Bu durumu dikkate alan araştırmacılar, çok eklemli fotovoltaik hücre ile ilgili
çalışmalara yönelmişlerdir.
 Çok eklemli fotovoltaik hücreler, farklı yasak
bant enerjilerine sahip iki veya daha fazla
hücre birleştirilerek oluşturulurlar ve farklı
dalga boylarına sahip fotoların enerjilerinden
daha yüksek oranda yaralanılır.
Çok Eklemli (Kavşaklı) Fotovoltaik Hücreler
 Günümüzde, çok eklemli hücrelerin verimleri %41 seviyelerine ulaşmıştır.
Çok Eklemli (Kavşaklı) Fotovoltaik Hücreler
 Ancak bu teknolojini en büyük dezavantajı maliyetli oluşudur. Bu nedenle,
günümüzde, bu tip fotovoltaik hücreler daha çok uzay uygulamalarında
kullanılmaktadırlar.
 Teorik ideal bir fotovoltaik hücre, mor ötesi ile kızıl ötesi ışınım arasındaki bütün
dalga boylarındaki ışınımın küçük aralıklarına duyarlı yüzlerce farklı katmandan
oluşabilir.
 Bu durumda, %70 gibi olağanüstü bir verime ulaşmak mümkündür.
 Ancak bu tür bir karmaşık yapıdaki fotovoltaik hücre üretimindeki zorluklar henüz
böyle bir tasarımı mümkün kılmamıştır.
Nano-Fotovoltaik Hücreler
 Nano-fotovoltaik, 21. yüzyıl fotovoltaik teknolojisidir.
 Nano-mikro kristal yapılı yüksek enerji etkin fotovoltaik hücrelerin üretimini
kapsamaktadır.
 Bu teknoloji ile diğer fotovoltaik hücrelere göre % 8 ile 10 arasında daha iyi verimli
hücre üretim potansiyeli mevcuttur.
Nano-Fotovoltaik Hücreler
Download

Slayt 1 - Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Makine ve İmalat