Güneş panellerinde yeni teknolojiler

Solar paneller en popüler yenilenebilir enerji ikonlarından biridir. Evlerin çatılarında, tarlalarda , bozkırlarda kurulmuş siyah camlar olarak uzun yıllardır görülmekte ve kulanılmaktadırlar. Ancak 1,7m x 0,8m x 5 cm boyutlarındaki solar paneller artık tarih olabilir. Çünkü yeni nesil daha verimli ve ekonomik güneş panelleri üretilmeye başlandı. Yeni nesil ince-film fotovoltaik hücrelerin 2010 yılında dünya genelinde 3700 megawatt elektrik üretmesi beklenmektedir.

2010 yılından sonra ince-film solar paneller tüm dünyada yaygınlaşarak kullanılacaktır. Bu makalede ince-film solar panellerin geleneksel panellerden neden daha ucuza üretilebildiği, neden daha verimli olduğu ve neden daha esnek bir yapıya sahip olduğu incelenecektir.

İnce-Film Solar Hücre Nedir ?

Eğer güneş enerjisiyle çalışan bir hesap makinası kullandıysanız ince-film teknolojisiyle tanışmışsınız demektir. Hesap makinasındaki bu küçük hücre büyük bir yapıda değildir. Genelde 2.5 cm uzunluğunda ve 0,6 cm genişliğindedir. Hücrenin inceliği teknoloji karakteristiğini belirtir. Silikon levhalardan farklı olarak ışık emici tabakalar 350 mikron kalınlığındadır ve ince-film güneş hücreleri 1 mikron kalınlığında ışık emici tabakalar taşır. 1 mikron metrenin milyonda biridir.

İnce-film güneş hücrelerinin 3 temel çeşidi bulunmaktadır. Bunlar kullanılan yarıiletkene göre farklılık gösteren amorf-silisyum (a-Si), kadmiyum tellürid (CdTe) ve bakır indiyum galyum deselenid (CIGS). Amorf silisyum basitçe geleneksel silisyum hücrelerin inceltilmişi olarak düşünülebilir. Bu yüzden en sık kullanılan çeşit a-Si’ dir.

a-Si solar hücrelerle ilgili en büyük problem silisyumun herzaman kolaylıkla ve ihtiyaç kadar bulunamamasıdır. a-Si solar hücreler verimsiz değildir. Ancak güneşe karşı korunmasız bırakıldıklarında çıkış güçlerinin önemli bir kısmını kaybederler. Daha ince a-Si hücreler bu sorunun üzerinden gelir ancak ince katmanların ışık emme kapasiteleri azalır. Tüm bu faktörleri incelediğimizde a-Si hücrelere hesap makinası vb gibi küçük çaplı uygulamalar için idealdir.

İnce-film Solar Hücrelerin Yapıları

Güneş enerji hücrelerinde yapı ve çalışma birbiriyle çok ilişkili olduğu için nasıl çalıştıklarını incelemek gerekir.

Fotovoltaik hücreler yarı iletken olarak bilinen materyalden yapılırlar. Yarı iletkenler saf halde yalıtkandırlar. Ancak ısıtıldıklarında veya başka bir maddeyle karıştırıldıklarında iletken konuma geçebilirler. Yarı iletken fosfor gibi bir elementle birleştiğinde açığa fazladan elektronlar çıkar. Bu tip yarı iletkenlere n-tipi arı iletken denir. Yarı iletken boron gibi başka bir materyalle karıştırılırsa elektron kabul edebilen delikler açılır. Bu tip yarı iletkenlere ise p-tipi yarı iletken denir.

PV hücre n-tip ve p-tip materyallerin birleşiminden oluşur. Bu materyallerin birleşme noktasına junction denir. Işık yokken bile çok az miktarda elektron n-tip’ ten p-tip’ e junction bölgesinden geçerek ulaşır. Bu geçiş az miktarda voltaj oluşmasına neden olur. Ortamda ışık varsa elektronların bu geçişi daha fazla olacak ve oluşacak akım elektrikli cihazlarda kullanılabilecek büyüklüğe ulaşacaktır.

Geleneksel solar hücreler n-tip ve p-tip katmanlarda silisyum kullanmaktadır. Ancak yeni jenerasyon ince-film hücreler kadmiyum tellürid veya bakır galyum deselenid kullanır.

CIGS güneş hücrelerinin iki temel konfigürasyonu vardır. CIGS-on-glass hücresi daha etkili bir elektrod oluşturmak için molibden katmanından yapılmıştır.

Bu ekstra katman CIGS-on-foil hücrelerde gerekli değildir. Çünkü folyo zaten elektrolid görevi görmektedir. Çinko oksit (ZnO) katmanı CIGS hücresinin diğer bir elektrodu işlevini görür.

Yarı iletken malzeme ve kadmiyum sulfid katmanları bu iki elektrod katmanın arasında yer alır ve n-tip, p-tip malzeme olarak davranırlar. Bu n-tip ve p-tip katmanlar sayesinde elektron hareketlerinden akım oluşturulabilir.

CdTe güneş hücreleri benzer bir yapıya sahiptir. Bir elektrod bakır aşılı karbon katmanından oluşur, diğer elektrod ise kalay oksid (SnO2) veya kadmiyum stanat (Cd2SnO4) oluşur. Bu tip güneş hücrelerinde ise yarı iletken kadmiyum tellürid olur (CdTe). CdTe hemen yanındaki kadmiyum sülfat (CdS) ile n-tip ve p-tip katmanları oluşturur.

İnce-film güneş hücrelerini geleneksel güneş hücrelerinin verimlerini karşılaştırmak gerekirse ; teorik olarak silisyum tabakalı geleneksel güneş pilleri %50 enerji verimliliği sağlar. Bu üzerine düşen güneş enerjisinin sadece yarısını elektrik enerjisine çevirdiği anlamına gelir. Gerçekte ise silisyum tabakalı geleneksel güneş pilleri ancak %15 ~ %25 verimliliğe ulaşabilir. Son teknolojik gelişmelerle beraber ince-film güneş hücrelerinin verimleride geleneksel güneş hücreleriyle yarışabilir hale gelmiştir. CdTe güneş hücrelerinin verimi %15, CIGS güneş hücrelerinin verimi ise %20′ ye ulaşmıştır.

Bununla beraber kadmiyum kullanımı sağlık açısından sakıncalıdır. Çünkü kadmiyum yemek zincirine karışabilecek yüksek derecede zehirli civa maddesinden oluşur.

İnce-film Solar Hücrenin Üretimi

Maliyetlerin büyüklüğü güneş enerji teknolojisinin yaygınlaşmasının önünde bir bariyer olarak durmaktadır. Klasik silisyum güneş hücrelerinin üretimi karmaşık, çok zaman alan bir işlemdir. Bu da watt başına üretim maliyetini arttırır. Silisyumdan yapılmayan ince-film günş hücrelerinin üretimi ise çok daha kolaydır ve bu özelliğide üretim engellerini ortadan kaldırır.

•  Bir alüminyum folyo topu büyük bir pres içine sürülür. Elde edilen alüminyum folyo birkaç metre genişliğinde ve bir kaç kilometre uzunluğunda olabilir. Bu özelliği ürünün birçok farklı uygulamaya adapte olabilmesini sağlar.
• Açık hava şartlarında çalışan bir yazıcı alüminyum tabaka üzerine yarı iletken mürekkepten oluşan bir tabaka oluşturur. Bu üretim şekli bir devrim yaratmış maliyetleri ve üretim süresini önemli ölçüde düşürmüştür.
• Başka bir pres CdS ve ZnO katmanları oluşturur. ZnO ışık yansıtmaz bir tabakadır. Alınan tüm güneş ışığının yarı iletken tabakaya ulaşmasını sağlar.
• Son olarak hazırlanan folyo hücreler halinde kesilerek kullanıma hazır hale getirilir.