Güneş Paneli Hücrelerinin Çalışma Mantığı


Güneş Paneli Hücrelerinin Çalışma Mantığı

Güneş enerjisi, dünyada en fazla bulunan yenilenebilir enerji kaynağıdır. Tahminlere göre fosil yakıtlardan karşılanılan yıllık enerji ihtiyacımızın 10.000 katı daha fazla enerji güneşten dünyaya ulaşmaktadır. Güneş enerjisi sistemleri, güneşten gelen ısı veya ışığı elektrik gibi kullanılabilir Solar Enerji Hücrelerinin Çalışma Prensibienerji formlarına dönüştüren sistemlerdir.


Günümüz teknolojisinde güneş enerjisinden yararlanmak için kullanılan 2 farklı sistem vardır. Bunlardan biri olan termal sistemde güneşin ısı enerjisinden faydalanılır ve sıvıların ısıtılması veya elektrik üretimi için kullanılır. Diğeri ise fotovoltaik (PV) sistemdir. Güneş ışını yarı iletken bir maddeye çarptığında elektronlar serbest kalır ve elektrik akımı oluşur. PV sistemde güneşten gelen ışınlar doğrudan kullanılarak yarı iletkenler yardımıyla elektrik enerjisi üretilmesi amaçlanır.
Küçük ve çok sayıdaki güneş hücrelerinin birbirlerine bağlanması ile güneş panelleri oluşur. Güneş hücreleri genellikle silikon denen yarı iletken bir maddeden (dünyada en çok bulunan ikinci element) oluşur. İletken iki katmanın arasına kristal silikon yerleştirilerek güneş hücreleri yapılır. Her silikon atomu komşu atomlarla 4 güçlü bağ kurar. Bu bağlar sayesinde elektronlar hareket edemez ve elektrik akımı oluşmaz. Ortadaki silikon kısım da 2 farklı silikon katmandan oluşur. Bunlar n-tipi silikon ve p-tipi silikon katmanlarıdır. N-tipi silikon katmanda fazladan elektronlar ve p-tipi silikon katmanda ise bu ekstra elektronlar için fazladan boşluklar bulunur. Bu iki katman bir araya geldiğinde P/N bağlantısı oluşur ve elektronlar bu bağlantı sayesinde serbestçe katmandan katmana hareket edebilir. Bu hareket sayesinde bir taraf pozitif (+) yükle yüklenirken diğer katman negatif (-) yüklenir.


Güneşten gelen fotonlar silikon hücresine yeterince büyük bir enerji ile çarpınca geride boşluk bırakarak silikon katmandan bir elektron Solar Enerji Hücrelerinin Çalışma Prensibikoparabilir. Böylece kopan eksi yüklü elektron ile geride kalan artı yüklü boşluk alanı serbestçe hareket edebilir. Ama P/N bağlantısındaki elektrik yükü sayesinde bunlar sadece tek bir yöne doğru hareket edebilirler. Serbest elektron n tarafına doğru, boşluk ise p tarafına doğru çekilir.
Hareketli elektronlar hücrenin en üstündeki ince metal katman tarafından toplanır. Oluşan elektrik akımı ile akülerde enerji depolanabilir, evlerimizin elektrik ihtiyacı giderilebilir veya elde edilen fazla enerji şehir şebekelerine aktarılabilir. Ayrıca evlerimizde kullandığımız elektrik AC elektriktir. Eğer evlerimizde kullanmak istiyorsak, sisteme, panellerde üretilen DC elektriği evlerimizde kullandığımız AC elektriğe çeviren inverter eklemeliyiz. Elektronlar işlevini bitirince güneş panelinin arka tarafında bulunan iletken alüminyum tabakaya geri dönerler. Buradan da tekrar güneş hücrelerine aktarılır.


Her bir silikon hücresi sadece yarım voltluk akım üretebilir. Bunların bir araya getirilerek aralarında bağlantı kurulması ile oluşturulan güneş panelleri ile çok daha fazla enerji üretilir. Mesela 12 fotovoltaik hücrenin birbirlerine bağlanması ile bir cep telefonu şarj edilebilirken bir evin elektrik ihtiyacı için çok daha fazlası gereklidir.
Solar hücrelerde hareket eden tek parça elektronlardır. Hücrelerin kullanılan başka parçaları olmadığı için güneş panelleri zarar görmeden yıllarca kullanılabilir. Fakat bununla birlikte, günümüzde üretilen en etkin güneş panelleri bile üzerine çarpan güneş ışınlarının yüzde 46'sını elektrik enerjisine çevirebilir. Ayrıca şu an kurulu ticari sistemlerin çoğu en fazla yüzde 15-20 verimlilikte çalışıyor. Bu panellerin verimliliğini etkileyen en önemli faktörlerden biri güneşlenme süresidir. Bu süre ülkemizde yaz aylarında 11 saate kadar çıkmasına rağmen kış aylarında 5 saate kadar düşmektedir.
Güneş panellerindeki verimliliği arttırmak için silikon harici yarı iletken maddeler de kullanılabilmesine rağmen günümüzde bu sistemlerin yüzde 90'nında monokristal, polikristal ya da amorf gibi silikonun farklı bir varyasyonu tercih ediliyor.