Güneş Panelleri Nasıl Çalışır?

Güneş panelleri ile ilgili detaylara geçmeden önce kısaca güneş enerjisinin önemine değinelim. Herhangi bir zamanda yeryüzüne çarpan güneş enerjisi miktarı 173.000 terawatt’tır. Tek başına bu miktar, dünyanın toplam enerji ihtiyacının 10.000 katından fazla. Dolayısıyla güneş enerjisi, mevcut iklim kriziyle mücadelede ve fosil yakıtlara olan bağımlılığımızı azaltmada kilit bir çözümdür. Önümüzdeki yıllarda Güneş enerjisinden ve avantajlarından nasıl yararlanılacağını anlamanın zaruri bir ihtiyaç haline dönüşeceğini de belirtelim.

Peki bina çatılarına, arazilere, hatta göl ve su kanalları üzerine kurulan bu büyük güneş panelleri nasıl elektrik üretiyor? Yapısında hangi malzemeleri barındırıyor? Üzerlerindeki hücreler neden bu kadar özel bir şekle sahip ? Renkleri neden mavi ?

Güneş modülü olarak da adlandırılan güneş panelleri bağımsız hücrelerden oluşur. Bu hücreler güneş ışığındaki foton enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Bu elektrik anında kullanılabileceği gibi tercihen depolanabilir de.

Her hücre, yaklaşık 5 watt aralığında güç üretebilir. Daha fazla güç sağlamak için hücrelerin bir güneş paneli oluşturmak üzere birleştirilmesi gerekir. Hücreler çoğunlukla silikondan yapılır. Çoğu tek bir kristal şeklindedir. Bu monokristal silikon hücreler, büyük bir silindirik silikon kristalinden dilimlenir. Fikir vermesi açısından, tipik güneş panelleri yaklaşık 60 ila 72 hücreye sahiptir. Yani yaklaşık olarak 320 watt’lık bir güç kapasitesine sahiptir.

Güneş Panelleri Hangi Katmanlardan Oluşur?

Silikon güneş panelleri dolayısıyla onu oluşturan hücreler çok temel bir çalışma prensibine sahiptir. Güneş ışığı hücreye çarpar. Buradaki elektronların kararlı konumlarından ayrılmasına neden olur. Bunlar silikonu terk eder ve bir elektrik devresinden geçerek cihazlarımıza güç sağlar. Peki güneş panellerini oluşturan bu hücreler hangi katmanlardan oluşuyor?

1. Saydam Koruyucu Tabaka (Genellikle Cam)

Bu ilk katman genellikle camdan veya ışığın alttaki silikona geçmesine izin veren şeffaf bir malzemedir. Aynı zamanda altında bulunan silikon ve metal tabakaları çerveden gelecek zararlardan korur.

2. Yansıma Önleyici Kaplama

Bu katman oldukça etkileyici. Altında bulunan silikon tabakanın kendisi yüksek yansıtıcılığa sahiptir. Bu da üzerine gelen ışığın yaklaşık %30’unun yansımasına neden olur. Yansıma önleyici kaplamanın özelliği, ışığın silikon katmana geçmesine izin verir. Ancak silikon tabakadan geri yansıyan ışığın dışarı kaçmasını büyük ölçüde engeller. Böylelikle ışığın kullanımını artırarak panellerin verimini de artırır. Ancak bunun için kaplamanın tam olarak 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 iptal eder. Sonuç olarak geriye yalnızca yansıma önleyici katmandan iletilen ışık kalır.

Güneş ışığı birçok dalga boyunun (gökkuşağının renkleri) bir karışımı olduğu için, yansıma önleyici mükemmel şekilde çalışamaz. Ancak belirli dalga boyları için optimize edilebilir. Bu katmanın spektrumun yeşil – kırmızı renk aralığındaki yansımaları azaltmada çok efektik olduğunu söyleyebiliriz. Bu da maviyi diğer renklerden biraz daha fazla yansıyacak bölgede bırakır. Güneş panellerini mavi renkte görmemizin sebebi budur.

3. Silikon (Silisyum)

İşin bütün esprisi bu silikon tabakasında diyebiliriz. Işığın elektronlar üzerinden akım ürettiği kısımdır. Bu, birbiriyle temas halinde olan iki farklı silikon türü kullanılarak elde edilir.

Biri pozitif yüke (P tipi) ve diğeri negatif yüke (N tipi) sahiptir. Böylelikle silikonların arasında voltaj oluşur. Işık (fotonlar aracılığıyla) bu iki silikon tipindeki elektronlara enerji verir. Bu da onların yukarıda bahsedilen voltaj yardımıyla bir elektrik devresinden geçmelerini sağlar.

4. Metal İletkenler

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

Eğer metal tüm yüzeyi kaplasa ışık bu katmandan geçemezdi. Güneş pilinin yalnızca dış kenarında dolaşsaydı, bu sefer de elektronların çoğu iletkene ulaşamazdı.

Güneş Panelleri Nasıl Elektrik Üretir?

Artık bir güneş pilinin ana parçalarını biliyoruz. Ama silikon katmanında gerçekten ne oluyor? Bu soruyu cevaplamak için öncelikle, silikonun metal gibi çok iletken bir malzeme olmadığını, kauçuk gibi tam bir yalıtkan olmadığını anlamalıyız.

Silikon bir yarı iletkendir, yani normal koşullar altında iletkenliği düşüktür. Ancak diğer bazı koşullar altında çok daha yüksek bir iletkenliğe sahip olabilir. Örneğin uygulanan bir voltaj altında iletkenliği artar. Bu nedenle entegre devrelerde anahtar olarak kullanılabilir.

Silikon, mevcut dört 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, beş 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 (yönlendireceğimiz) bir yer olması gerekir.

Bu sebeple doping işlemini silisyumdan bir elektronu eksik olan bor için de yapabiliriz. Bu, silikon yapısından bir elektronu uzaklaştırır. Ortaya çıkan bir 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 Katmanlarda Elektron Hareketi

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

Şimdi elimizde voltaj oluşturduğumuz bir silikon yarı iletken var. 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 giriyor.

Işık, foton adı verilen parçacık benzeri enerji paketleri olarak düşünülebilir. 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. Artık güneş panelleri ve güneş pillerinin ne olduğunu ve nasıl çalıştıklarının temelleri hakkında bilgi sahibiyiz. İlginizi çekebileceğini düşündüğümüz ‘Atık ısı enerjisini elektriğe dönüştüren termoelektrik cihaz’ hakkında bilgi sahibi olmak için tıklayın.