Güneş Paneli Nedir? Nasıl Çalışır?

Dünyada enerji tüketimi artarken çevresel etkileri minimize etmek ve enerji kaynaklarını sürdürülebilir bir şekilde kullanmak giderek daha önemli hale gelmektedir. Bu bağlamda güneş paneli aracılığıyla elektriğe dönüşen güneş enerjisi temiz, sınırsız ve yenilenebilir bir kaynak olarak öne çıkıyor.

Herhangi bir zamanda yeryüzüne çarpan güneş enerjisi miktarı 173.000 terawattır. Tek başına bu miktar, dünyanın toplam enerji ihtiyacının 10.000 katından fazla. Dolayısıyla güneş enerjisi, iklim kriziyle mücadelede ve fosil yakıtlara olan bağımlılığımızı azaltmada kilit bir rol oynuyor. Güneş ışığının, gezegenimizde her gün bol miktarda ve ücretsiz olarak bulunması, güneş enerjisinin potansiyelini ortaya koymaktadır. Bu makalede, güneş paneli bileşenlerini, katman yapısını, çalışma prensibini ve güneş panelleriyle nasıl elektrik üretildiğini detaylı bir şekilde inceliyoruz.

Güneş Paneli Nedir?

Güneş enerjisi, güneş ışığının doğrudan veya dolaylı olarak kullanılmasıyla elde edilen enerjiyi ifade eder. Bu enerji, fotovoltaik hücreler veya termal kolektörler gibi teknolojiler aracılığıyla yakalanır ve çeşitli amaçlar için kullanılır. Ancak, güneş enerjisinin en yaygın ve etkili kullanım şekli güneş panelleri aracılığıyla elektrik enerjisi üretimidir. Güneş panelleri; evler, işyerleri, okullar, hastaneler, fabrikalar ve daha birçok alanda elektrik enerjisi üretmek için kullanılabilir.

Güneş paneli, fotovoltaik hücrelerden oluşan ve güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmek için tasarlanan sistemlerdir. Bu teknoloji, güneş ışığının hareketli elektronlar üretmesini sağlayarak elektrik akımı oluşturur. Bu sayede, güneş panelleri temiz ve çevre dostu elektrik enerjisi üretirken karbon ayak izini azaltmaya ve fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmaya yardımcı olur. Elde edilen elektrik anında kullanılabileceği gibi depolanabilir de.

Her bir fotovoltaik hücre, yaklaşık 5 Watt güç üretebilmektedir. Daha fazla güç sağlamak için hücrelerin bir güneş paneli oluşturmak üzere birleştirilmesi gerekir. Standart bir güneş paneli yaklaşık 60-72 hücreye sahiptir. Yani yaklaşık olarak 320 Watt’lık bir güç kapasitesi bulunmaktadır.

Hücreler çoğunlukla silikondan yapılmaktadır. Çoğu tek bir kristal şeklindedir. Bu monokristal silikon hücreler, büyük bir silindirik silikon kristalinden dilimlenir.

Güneş Paneli Hangi Katmanlardan Oluşur?

Güneş panellerinin yapısını oluşturan fotovoltaik hücreler saydam koruyucu tabaka (cam), yansıma önleyici kaplama, silikon ve metal iletkenlerden oluşmaktadır.

Saydam Koruyucu Tabaka (Cam)

Bu ilk katman genellikle cam veya ışığın alttaki silikona geçmesine izin veren şeffaf bir malzemedir. Aynı zamanda altında bulunan silikon ve metal tabakaları çevreden gelebilecek zararlara karşı korumaktadır.

Yansıma Önleyici Kaplama

Kaplamanın altında bulunan silikon tabaka yüksek yansıtıcılığa sahiptir. Bu da üzerine gelen ışığın yaklaşık %30’unun yansımasına neden olur. Yansıma önleyici kaplamanın özelliği, ışığın silikon katmanına geçmesine izin vermesi fakat silikon katmanında yansıyan ışığın dışarı kaçmasını engellemesidir. Böylelikle ışığın kullanımını artırarak panel veriminin artmasına katkı sağlar. Ancak bunun için yansıma önleyici kaplamanın doğru kalınlıkta seçilmesi gerekir. Aslında ışık, yansıma önleyici katmanın hem üstünden hem de altından yansır. Ancak katmanın kalınlığı doğru seçildiğinde her iki yüzeyden yansıyan ışık dalgaları birbirini tamamıyla sönümler. Sonuç olarak geriye yalnızca yansıma önleyici katmandan iletilen ışık kalır.

Güneş ışığı, birçok dalga boyunun bir karışımı olduğu için yansıma önleyici kaplama mükemmel bir şekilde çalışamaz. Ancak belirli dalga boyları için optimize edilebilmektedir. Bu katmanın spektrumun yeşil – kırmızı renk aralığındaki yansımaları azaltmada çok efektif olduğunu söyleyebiliriz. Bu durum mavi rengi diğer renklerden biraz daha fazla yansıyacak bölgede bırakır. Güneş panellerini mavi renkte görmemizin sebebi budur.

Silikon (Silisyum)

Silikon tabaka, ışığın elektronlar üzerinden akım ürettiği kısımdır. Bu durum, birbiriyle temas halinde olan iki farklı silikon türü kullanılarak elde edilmektedir. Silikon türlerinden biri pozitif yüke (P tipi) ve diğeri negatif yüke (N tipi) sahiptir. Bu sayede silikonların arasında voltaj oluşur. Işık (fotonlar aracılığıyla) bu iki silikon tipindeki elektronlara enerji verir. Bu da elektronların voltaj yardımıyla bir elektrik devresinden geçmelerini sağlar.

Metal İletkenler

Elektronlar silikon içinde harekete geçirildikten sonra, metal iletkenler aracılığıyla aktarılması gerekir. Alt kontak, güneş panelinin tüm alanını kaplayan basit bir metal plakadır. Güneş panelinin ön kontağı ise grid (metal ızgara) diye tabir edilen bir ızgara sistemdir. Bu sistem silikona ulaşan ışık miktarını en üst düzeye çıkarırken, elektronların metale ulaşmadan önce silikondan geçmesi gereken uzunluğu en aza indirir.

Güneş Paneli Nasıl Çalışır?

Güneş panelleri basit bir çalışma prensibine sahiptir. Fotonlar, panel üzerine düşmesiyle birlikte fotovoltaik hücrelere çarpar. Fotovoltaik hücrelerin içindeki yarı iletken malzeme (silikon), güneş ışığının enerjisini absorbe eder. Bu durum, elektronların kararlı konumlarından ayrılmasına neden olur. Elektronlar, silikon içindeki elektriksel alanı geçerek bir yönde hareket etmeye başlar. Bu hareket elektrik akımı (DC) oluşturur. Son olarak elektrik akımının da bir devre üzerinden geçmesiyle güç üretimi sağlanmış olur. Üretilen elektrik, genellikle bir şarj kontrol cihazı veya invertör aracılığıyla, günlük hayatta kullanılabilir elektrik enerjisine (AC) dönüştürülür veya bataryalara depolanır.

Güneş Panellerinin Silikon Yapısı ve Elektrik Üretimi

Silikon bir yarı iletkendir. Yani normal koşullar altında iletkenliği düşüktür. Ancak bazı durumlarda yüksek iletkenlik özelliği gösterebilmektedir. Örneğin bir voltaj uygulaması altında iletkenliği artmaktadır. Bu nedenle entegre devrelerde anahtar olarak kullanılabilirler.

Silikon, mevcut 4 elektronunu kendini çevreleyen diğer silikon atomlarıyla bağ kurmak için kullanır (Şekil-1). Bu nedenle, elektriği iletmek için açıkta kalan elektronu yoktur. Işık bu elektronların bir kısmını serbest bırakacak enerjiyi sağlasa da bu yeterli olmaz. Bu yüzden saf silikona, 5 kullanılabilir elektronu olan az miktarda fosfor eklenir (Şekil-2). Her ekstra fosfor atomu için fazladan bir elektron eklemiş oluruz. Bu işleme doping denir. Silikonun bu kısmı artık negatif katkılı olur. Bu nedenle ona N-tipi yarı iletken diyoruz. Ancak tek başına elektrik üretmek için bu yeterli değildir. Şimdi bu ışık enerjisiyle koparılan elektronların gideceği bir yer olması gerekir.

Bu sebeple doping işlemini silisyumdan bir elektronu eksik olan bor için de yapabiliriz. Bu durumda silikon yapısından 1 elektron uzaklaşır. Ortaya çıkan 1 elektronun yokluğu, delik dediğimiz etkin bir pozitif yük gibi davranır (Şekil-3) . Silikonun bu alanına P-tipi denir. Artık üst kısmı N tipi silikon ve alt kısmı P tipi olan bir silikon katman oluşturabiliriz.

N-tipi ve P-tipi Silikon Katmanlarında Elektron Hareketi ve Elektrik Üretimi

N-tipi ve P-tipi silikon temas halindeyken, N-tipindeki fazla elektronlar, P-tipindeki deliklere doğru hareket eder. Bu sayede geçiş bölgesi adı verilen, serbest elektron veya delik içermeyen bir bölge oluşturur. Fosfor atomları 5. elektronlarını kaybettikleri için artık net bir pozitif yüke sahiptirler. Fazladan 1 elektrona sahip olan bor atomları da negatif yüke sahip olur. Sonuçta iki alan arasında bir elektrik alanı, daha da önemlisi bir voltaj oluşur.

Bu durumda elimizde voltaj oluşturduğumuz bir silikon yarı iletken bulunmaktadır. Ancak geçiş bölgesindeki elektronlar hareket edemez. Onlara hareket etmeleri için enerji verebilirsek, voltaj sayesinde yönlerini bulabilirler. İşte tam da bu noktada güneş ışığından alınan enerji devreye girer. Işık, foton adı verilen parçacık benzeri enerji paketleridir. Doğru enerjiye sahip bir foton, geçiş bölgesindeki bir elektronla çarpıştığında, elektronun hareket etmesine yetecek enerjiyi aktarır. Gerilimin etkisi altında elektron, silikonun bir tarafına ve delik olarak adlandırılan yapılar da diğer tarafına doğru hareket eder.

Böylelikle levhanın bir tarafından diğerine bir elektrik iletkeni bağladığımızda (metal katmanı), elektronlar o iletkenden akar. Bu sayede ihtiyacımız olan elektriği elde ederiz. Bu süreç, güneş panellerinin güneş ışığını elektrik enerjisine dönüştürmek için nasıl çalıştığını ve elektrik üretiminin nasıl gerçekleştiğini açıklar. Güneş panelleri temiz, yenilenebilir ve uzun ömürlü bir enerji alt yapısı olarak giderek daha fazla popülerlik kazanmaktadır.

• [1] Basic Knowledge of Discrete Semiconductor Device