GELECEĞİN ENERJİ KAYNAĞI İNCE FİLM FOTOVOLTATİK GÜNEŞ PİLLERİ

GELECEĞİN ENERJİ KAYNAĞI İNCE FİLM FOTOVALTAİK GÜNEŞ PİLLERİ

Dünya'nın ilk ticari "İnce Film" güneş pili

Selçuk ŞAHİN ElkotekLtd.

1. Geleceğin Enerji Kaynağı Olarak Güneş Pilleri

Güneş 6000°T sıcaklığında bir siyah kütleye eşdeğer bir radyasyon kaynağıdır. Dünya uzaklığında bu 1350 W/M2 değerinde bir enerji yoğunluğu değerindedir. Dünya'ya düşen güneş ışınlarının yaklaşık % 30'u geri yansıdığın dan, Dünya'nın yıllık olarak Güneş'ten aldığı enerji 700 x 10 n MWh mertebesindedir. Bu enerjinin yaklaşık binde biri fotosentez yoluyla bitkilerde depolanır, kalan enerji ısıya dönüşerek çeşitli atmosferik olayları yara tır. Dünya'ya düşen Güneş enerjisi Dünya enerji tüketimi nin en az yirmibin katına eşittir. Demek ki, Güneş'in bize gönderdiği enerjinin çok ufak bir kısmını bize fayda lı enerji türlerine dönüştürebilirsek, nükleer enerji gibi riskli kaynaklara başvurmadan veya fosil yakıtları ile çevremizi kirletmeden Dünya'nın enerji sorununu çöze biliriz.

Güneş enerjisini faydalı enerji türlerine çevirmek için pasif toplayıcılar, tuz gölleri, odaklanmış aynalar ve ben zeri birçok yöntem var ise de, bunların içinde güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren fotovol taik güneş pilleri uygulama alanı en geniş olan ve gelecek için en çok ümit veren yöntemdir.

Güneş pillerinin elektrik enerjisi kaynağı olarak yaygın laşmasında şu üstünlükleri rol oynamaktadır:

a Bir iletim hattına gerek kalmadan enerji ihtiyaç duyu lan her yerde üretilebilir.

b Modüler yapıdadır, hemen kurulabilir, değişen ihtiya ca göre gücü arttırılabilir veya azaltılabilir.

c Yakıt ikmaline veya bakıma ihtiyaç yoktur. d Sessiz ve temizdir, çevreyi kirletmez.

10VV portatif güneş pili ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ — 330/331

Monokrlstal silisyum güneş pili

e Uzun ömürlüdür, 20 yıldan fazla bir süre kullanılabilir, f Hafif yapısı nedeniyle taşınabilir, portatif cihazlarda güç kaynağı olarak kullanılabilir g Direkt Güneş ışığı şart değildir, bulutlu havalarda bile ışık şiddeti ile orantılı olarak elektrik akımı üretir.

Buna karşılık güneş pillerinin en önemli eksiği genellikle bir enerji depolama sistemine (aküye) ihtiyaç göstermesi dir. Ancak akü teknolojisinde de önemli gelişmeler kayd edilmiş ve hiçbir bakım gerektirmeyen "Problemsiz" aküler üretilmeye başlanmıştır.

Güneş pillerinin yaygınlaşmasını frenleyen en önemli faktör fiyattır. Ancak aşağıda inceleyeceğiniz teknolojik gelişmeler sayesinde güneş pillerinin kuruluş maliyeti 19601ı yıllardaki 1000 Dolar/Watt düzeyinden bugün 7 Dolar/Watt düzeyine inmiştir. 1990 için hedef 2 Do 1ar/Watt'dır.

2. Günümüz Güneş Pili Teknolojisi

Güneş pilleri bizde fazla tanınıp uygulanmamakla bera ber Dünya'da 1950'li yıllardan beri kullanılmaktadır. İlk uygulama uzay uydularında olmuştur ve hemen bütün uzay uyduları ile ay modülleri elektrik enerjisi kaynağı olarak güneş pillerini kullanmışlardır.

Fiyatların düşmesi ile 1970'li yıllarda güneş pilleri yeryü zünde de gittikçe artan uygulama alanları bulmaya başla mıştır. Bunlar arasında uzak telekomünikasyon tesisleri ni, TV transpozerlerini, deniz fenerlerini, sinyalizasyon ve seyrüsefer işaretlerini sayabiliriz. Ayrıca Amerika'da

herbirinin kurulu gücü 1 MVV'ın üstünde 3 adet (en büyü ğü 6,5 MW) Güneş pili santralı da doğrudan enterkon nekte şebekeye elektrik üretmektedir. Güneş pilleri bazı ülkelerde tüketim pazarına da girmiş dağ ve kır evlerinin elektrifikasyonunda, teknelerde, karavanlarda, su pom palarında kullanılmaya başlanmıştır. Çok küçük güçlerde olmakla beraber herkesçe bilinen en yaygın uygulama alanı ise güneş pili ile çalışan sayısal saatler ve hesap ma kinalarıdır.

Bugün güneş pillerinde üç kuşak teknolojiden söz etmek mümkündür :

2.1. Birinci Kuşak Monokristal Silisyum Güneş Pilleri

Czochralski yöntemi ile büyütülen yaklaşık 10 cm çaplı 100 150 cm uzunluğunda % 99.9999 saflıktaki Silis yum kristal kütüğünden yaklaşık 03 mm kalınlığında dilimler kesilerek elde edilir. Dilimin bir tarafı p, diğer tarafı n tipi katkılanır, elektriği toplayıcı gümüş hatlar serigrafi yoluyla basılır ve böylece güneş pili hücreleri elde edilir. Daha sonra gerekli sayıda hücre seri bağlanıp bir panele dizilerek bir güneş pili modülü oluşturulur. Bu modüler genellikle 12 V. aküleri şarj edebilecek geri lim ve akım değerindedirler.

2.2. İkinci Kuşak — Polikristal Silisyum Güneş Pilleri

Güneş pillerindeki yüksek enerji sarfiyatını ve dolayısıyla üretim maliyetlerini azaltmak amacıyla tek bir kristal bü yütmek yerine, geniş dikdörtgen kalıpları, yüksek saflık

ta ergitilmiş Silisyum döküp, katılaşma sürecini kontrol etmek yoluyla polikristal Silisyum hücreleri üretilmeye başlanmıştır. Başka bir yöntemle de polikristal Silisyum, şeritler halinde elde edilmektedir.

Bu yöntemlerle elde edilen polikristal güneş pillerinin maliyetleri bir miktar düşük olmakla beraber, verimleri nin ve düşük ışı şiddetlerindeki performanslarının mono kristal güneş pillerine göre daha yetersiz olduğu görül mektedir, örneğin, 12 V. akü şarjı için bir monokristal güneş pili modülünde tipik olarak 30 ila 36 adet güneş pili hücresi seri bağlanırken, aynı güç ve gerilimdeki bir polikristal hücre için, 40 adet hücrenin seri bağlanmasına gereksinim duyulmaktadır. Böylece üretimde elde edilen bir miktar maliyet indirimi, fazla hücre kullanma gereksi nimi nedeniyle kaybedilmektedir.

23 Üçüncü Kuşak İnce F i m Silisyum

Ortaçağdaki simyagerlerin Bakır'dan Altın yapma çaba ları gibi bugün de yeryüzünde binlerce bilim adamı düşük maliyetle ışıktan elektrik üretecek sihirli maddenin peşindeler. Ancak günümüzün araştırıcıları bir yerde de çabalarında başarıya ulaşmış sayılırlar. Bizi hedefe ulaş tıracak bu buluş İnci Film Silisyum'dur!

"İnce Film Silisyum" güneş pilleri cam, paslanmaz çelik veya plastikten bir düz yüzey üzerinde oluşturulan yak laşık 1 mikron kalınlığında Silisyum Hidrojen alaşımı ince bir film tabakasından oluşur. Malzeme ve enerji gereksinimi monokristal ve polikristal teknolojilerine göre çok daha düşük olduğu gibi seri üretime son derece uygundur.

Maliyet indirimini sağlayan faktörler şunlardır:

Kullanılan Silisyum miktarında yaklaşık bin kat azal ma. Elde yapılan hücrelerarası bağlantılar yerine tümleşik devre teknolojisi ile ve otomatik olarak yapılan ara bağlantılar. Silisyum kristalleri ergitme için ihtiyaç duyulan yük sek enerji tüketimine gerek kalmaması.

İnce Film Silisyum teknolojisi uzun bir süredir laboratu var düzeyinde biliniyor ve Dünya çapında yüzlerce araş tırmanın konusunu oluşturuyordu. Fakat laboratuvarlar da elde edilen numunelerde gözlenen zamanla güneş ışı ğında bozulma olayının nedenleri anlaşılamıyor ve ön lemleri bulunamıyor idi. Ancak bu sorunlar da artık çö zülmüş ve 1984 yılından beri geniş yüzeyli "İnce Film Silisyum" güneş pillerinin ticari olarak üretimine başlan mıştır.

Şu anda yaklaşık % 5 6 verimli, 3 0 x 3 0 c m boyutlu yaklaşık 5 W gücünde modüller üretilmekte. 1986 yılında yaklaşık 20 W gücünde, 7 8 verimli daha büyük modül lerin üretilmesi planlanıyor. Hedef 1990 yılına kadar

monokristal teknolojisi ile aynı verim ve güçte fakat fiyat olarak en az yarı maliyette modüller üretmek.

"İnce Film Silisyum" güneş pillerinin bir avantajı da çok düşük ışık şiddetlerinde bile akım üretebilmesi. Güneş pili elektronik hesap makinalarının floresan lâmba ışığın da bile çalışabildiği herkesin bildiği bir olaydır. "İnce Film Silison" güneş pilleri ışık dalga boyu olarak mor renklere daha hassas. İnce Film tabanı olarak şeffaf plas tik veya cam kullanıldığında mor ışıkları süzen, kırmızı ışıkları ileten saydam güneş pilleri elde edilmektedir. Gelecekte saydam güneş pillerinin binalarda elektrik üre timinde kullanılması tasarlanmaktadır.

3. İnce Film Teknolojisi ve Geleceğe Dönük Umutlar

Yapılan araştırmalar sonucu laboratuvarlarda % 10 veri min üstüne çıkabilen en az 7 farklı malzeme bulunmuş tur. Bunlar için ençok umut veren Cu2T, CdTe ve GaAs gibi yarı iletken kristaller olduğu gibi,CulnSe2 gibi ince film alaşımları da bulunmaktadır.

CulnSe2, hem laboratuvar denemelerinde gösterdiği yük sek kararlılık hem de ışık spektrumunun kızıl ve kızıl ötesi bölgesinde hassas olması nedeniyle araştırıcıların büyük ilgisini çekiyor. Araştırıcılar mor ve mor ötesi ışıkları soğuran "İnce Film Silikon" ve kızıl ve kızıl ötesi ışıkları soğuran CulnSe2 katlarında oluşan ve % 2 5 ' ler mertebesinde verim sağlayacak çok katlı güneş pilleri üzerinde önemle duruyorlar.

Güneş pillerinin uygulama alanları yaygınlaşıp üretim arttıkça, güneş pili üretim tesislerinin Dünya çapında yaygınlaşarak yüksek teknoloji sahibi ülkelerden Üçüncü Dünya Ülkelerine doğru yayılacağı ve hatta cam üreten fabrikalarda üretim hatlarından birini oluşturabileceği düşünülüyor.

Bir projeye göre de, atmosfer dışında çok geniş güneş pili santralları kurulacak ve burada sürekli olarak elde edilen enerji elektromanyetik radyasyon halinde yeryü züne aktarılacak.

Diğer bir proje ise, Büyük Sahra'da güneş pili santralla nnda elde edilen enerjinin elektroliz yoluyla Hidrojen elde edilmesinde kullanılmasını ve bu Hidrojenin sıvılaş tırılarak boru hatları ile enerji tüketim merkezlerine ile tilmesini öngörüyor.

Türkiye için bir uygulama alanı ise, güneş pilleri ile tah rik edilen pompalarla Güneydoğu Anadolu gibi güneşli fakat kurak bölgelerin sulanması olabilir.

Gelecek için büyük umutlar vaadeden güneş pilleri, bugün 5 10 KW'a kadar güçlerde dizel jeneratörlerden daha ucuz elektrik üretebilir duruma gelmiştir. Uygulan masının henüz Türkiye'de yeni olması ve fazla tanınma ması şimdilik geniş çapta kullanılmasını engellemektedir.