Fotovoltaik hücre - Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Makine ve

Fotovoltaik Teknoloji
Bölüm 4: Fotovoltaik Teknolojinin Temelleri
Fotovoltaik Hücre
Fotovoltaik Etki
Yarıiletken Fiziğin Temelleri
Atomik Yapı
Enerji Bandı Diyagramı
Kristal Yapı
Elektron-Boşluk Çiftleri
Katkılama: P-N Kavşağı
Dr. Osman Turan
Makine ve İmalat Mühendisliği
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
Fotovoltaik Hücre
 Fotovoltaik hücreler (güneş hücreleri veya pilleri)
güneş ışığını direkt olarak elektrik enerjisine
çeviren yarıiletken malzemelerdir.
 Fotovoltaik hücrelerin, yüzeylerine güneş ışınları
(foton) geldiğinde uçları arasında elektriksel gerilim
oluşur (Fotovoltaik Etki).
 Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda fotovoltaik
hücre seri veya paralel olarak bağlanarak
fotovoltaik modüller (paneller) oluşturulur.
 Güç gereksinimine bağlı olarak fotovoltaik modüller seri veya paralel bağlanarak
fotovoltaik dizinleri, dizinlerin birleştirilmesi ile de birkaç Watt’dan Mega Watt’lık
enerji üretim kapasitelerine sahip fotovoltaik sistemler oluşturulabilir.
Hücre
Modül
Fotovoltaik Sistem
Dizin
Fotovoltaik Hücre
 Fotovoltaik hücre, verimleri (yapılarına bağlı olarak)
günümüzde %40 seviyelerine kadar yükseltilmiştir.
 Uygulama koşullarında verimi %15 civarlarına olan
fotovoltaik hücre iyi olarak nitelendirilir.
 Fotovoltaik hücreler, yakın zamana kadar verimleri daha yüksek
olan tekli (mono) kristal yapıdaki yarı iletkenlerden yapılıyordu.
Tane Sınırları
 Tekli (mono) kristal yapıdaki fotovoltaik
hücre üretimi oldukça zahmetli ve yüksek
maliyetli olduğundan son zamanlarda
üretim maliyetini düşürmek amacıyla
fotovoltaik hücreler verimleri biraz daha
düşük olan çoklu (poli) kristal yapıdaki yarı
iletkenlerken yapılmaktadır.
Mono-Kristal
Amorf
Poli-Kristal
Mono-Kristal
 Fotovoltaik hücrelerin temel sorunu verimleri değil üretim maliyetleridir.
Fotovoltaik Hücre
 Fotovoltaik hücre üretiminde kullanılan yarı iletkenlerin bazıları bileşik bazıları
elementtir.
Fotovoltaik Hücre Üretiminde Kullanılan Yarı iletkenler
Silikon (Silisyum) (Si)
Element
Germanyum (Ge)
Galyum Arsenik (GaAs)
Kadmiyum Tellür (CdTe)
Bakır İndiyum Diselenid (CulnSe2)
Bileşik
Kadmiyum Diarsenik (CdAs2)
İndiyum Fosfor (In P)
Kurşun Sülfür (PbS)
 Silikon, fotovoltaik hücre üretiminde en çok kullanılan yarı iletkendir.
 Silikon, oksijenden sonra doğada en çok bulunan elementtir.
Fotovoltaik Etki
 Güneş ışınları foton adı verilen yüklü taneciklerden meydana gelir.
 Fotonlar, güneş ışınım spektrumundaki farklı dalga boylarına bağlı olarak farklı
miktarlarda enerji içerirler.
 Bir fotonun enerjisi, ışık hızı ve dalga boyuna bağlı olarak Plank Kanunu ile
hesaplanır:
h : Planck sabiti = 6.63×10-34 Js
λ : Dalga boyu (m)
c : Işık hızı = 3 x 108(m/s)
Atomik düzeyde enerji sıklıkla eV (1eV = 1.6 × 10-19 J) cinsinden ifade edildiği için dalga boyu birimi μm
alınarak Plank Kanunu yukarıdaki gibi yazılabilir.
Fotovoltaik Etki
 Bir fotovoltaik hücrede güç dönüşümünün gerçekleşebilmesi için, yarı iletken
malzemenin yasak bant enerjisine (Eg) eşit veya daha yüksek bir fotonun hücre
tarafından soğrulması gerekir.
=
≥ Eg
 Yarı iletken malzeme içerisinde valans bandında bulunan bir elektronun , yarı
iletken malzemenin yasak bant enerjisine (Eg) eşit veya daha yüksek bir foton ile
karşılaşarak iletim bandına geçmesi sonucu elektron-boşluk çifti oluşmasına
fotovoltaik etki adı verilir.
 Elektron-boşluk çifti fotovoltaik hücredeki enerji dönüşümünün temelini oluşturur.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri
 Fotovoltaik hücredeki enerji dönüşümünü anlayabilmek için yarıiletken fiziği
hakkında bilgi sahibi olmak gerekir.
 Elektrik enerjisinin oluşturulmasını ve kontrol edilmesini maddenin atomik yapısı
belirler.
 Atomik yapıya bağlı olarak elementler;
Elementler
İletken
Yarıiletken
Yalıtkan
 Yarı iletken fiziğini incelemek için temel atomik yapının bilinmesi gerekir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı
 Tüm maddeler (yada elementler) atomlardan oluşur.
 Yeryüzünde bilinen 109 element vardır.
 Bütün elementlerin atomik yapıları birbirlerinden farklıdır.
 Bohr Atom Modeline göre atom; elektron, proton ve nötron olmak üzere üç temel
parçacıktan oluşur.
 Atomik yapıda; nötron ve proton merkezdeki
çekirdeği oluştururlar.
 Elektronlar ise, çekirdekler etrafındaki sabit
yörüngelerde dolaşırlar.
proton
+ yüklü
nötron
Nötr
− yüklü
elektron
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı
 Bilinen bütün elementleri birbirlerinden ayıran en temel özellik, atomlarında
bulunan proton ve nötron sayılarıdır.
 Her bir atomun proton ve nötron sayıları farklıdır.
 Proton ve elektron sayıları eşit olan atomlar, elektriksel açıdan kararlı (nötr) olan
atomlardır.
Atom Ağırlığı (Kütle Numarası) = Proton sayısı + Nötron sayısı
Atom Numarası = Proton sayısı
Periyodik Tablo
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı
Enerji Kabukları (Bantları) ve Yörüngeler
 Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıklardadır.
 Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerin belirli enerji seviyelerine
sahiptirler.
 Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki
elektronlar dan daha az enerjiye sahiptir.
L
K
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı
Enerji Kabukları (Bantları) ve Yörüngeler
 Yörüngeler, kabuk (shell ) adı verilen belirli enerji bantlarında toplanmışlardır.
 Aynı Enerji Bandı içerisinde bulunan elektronların enerji seviyeleri birbirine yakındır.
 Enerji Bantlar arasındaki enerji seviyeleri arasındaki fark büyüktür.
 Enerji Bantları arasındaki bölge, yasak bölge (ya da yasak bant) olarak adlandırılır.
 Elektronlar bu bölgelerde bulunmazlar.
2n2
n: kabuk sayısı
L
K
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı
Valans Elektronları
 Atomun, en dıştaki kabuğuna Valans Bandı denir.
 Valans Bandında bulunan elektronlara valans (serbest) elektronları denir.
 Valans elektronları atomun en yüksek enerji seviyeli elektronlarıdır. Bu durum,
valans elektronları, atomdan ayrılmaya daha eğimli hale getirir.
 Valans elektronları maddelerin iletkenlik özelliğini belirler.
L
K
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Enerji Bandı Diyagramı
Yasak Bant Enerjisi
Yasak Bant Enerjisi
 Bir atomda, en yüksek enerji seviyesine sahip bant iletim bandıdır.
 Esasen, iletim bandındaki elektron yoğunluğu maddelerin iletkenlik düzeyini belirler.
 Elektronların bulunabileceği enerji seviyeleri arasındaki boşluk yasak bant olarak
adlandırılır.
 Bir elektronun valans bandından iletim bandına geçebilmesi için sahip olması gereken
enerjiye yasak bant enerjisi (Eg) adı verilir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Enerji Bandı Diyagramı
Yasak Bant Enerjisi
Yasak Bant Enerjisi
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Enerji Bandı Diyagramı
SORU: Neden Fotovolataik hücre üretiminde
iletkenler ve yalıtkanlar kullanılamaz?
Cevap : Yasak Bant Enerji
Yasak Bant Enerjisi
Yasak Bant Enerjisi
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Enerji Bandı Diyagramı
Fotovoltaik Hücre Üretiminde Kullanılan Yarıiletkenlerin
Yasak Bant Enerjileri (Eg)
Yarıiletken Malzeme
Eg (eV)
Silikon (Silisyum) (Si)
1.1
Germanyum (Ge)
0.7
Galyum Arsenik (Ga As)
1.4
Kadmiyum Tellür (CdTe)
1.4
Indiyum Fosfor (In P)
1.2
Kadmiyum Diarsenik (CdAs2)
1.0
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Kristal Yapı
 Yarıiletken malzemeler kristal yapıya sahiptir. Yani atomlar kendini tekrar
eden düzenli bir dizilim gösterirler.
 Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağlarla bağlanırlar.
 Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkileşimi
sonucu meydana gelir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Kristal Yapı
 Her silikon atomu, kendisine komşu diğer 4 atomun valans elektronları kullanarak şekildeki gibi
bir yapı oluşturur.
 Bu yapıda her atom, 8 valans elektronunun oluşturduğu etki sayesinde kimyasal kararlılık sağlar.
 Bu nedenle saf silikon kristali yalıtkan özellik gösterir.
 Her bir silikon atomunun valans elektronu, komşu silikon atomunun valans elektronu ile
paylaşımı sonucunda kovalent bağ oluşur.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çiftleri
 Bu bölümde, enerji bantları arasında
elektronların nasıl yönlendiklerini inceleyeceğiz.
Eg = 1.1 ( eV )
 Şekilde, dışarıdan herhangi bir enerji ile
uyarılmamış (durgun) silikon kristalinin enerji
bant diyagramı gösterilmiştir.
 Silikon (silisyum) kristalinin valans bandında
4 elektron bulunur.
 Silikon (silisyum) kristali, durgun halde, iletim
bandında elektron bulunmaz. Bu nedenle
yalıtkan özellik gösterir.
 Silikon (silisyum) yarıiletkeninin yasak bant
enerjisi Eg = 1.1 eV’tur.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çiftleri
Foton
Enerjisi
Eg = 1.1 ( eV )
Foton
Enerjisi
 Silikon (silisyum) yarıiletkeninin valans bandında bulunan bir elektron Eg = 1.1 eV değerinden
daha büyük bir enerjiye sahip bir foton ile karşılaştığında, arkasında pozitif yüklü bir boşluk
(hole) bırakarak iletim bandına geçer.
 Elektronlar iletim bandının alt tarafında, boşluklar
ise iletim bandının üst tarafında kümelenirler.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çiftleri
Foton
Enerjisi
Eg = 1.1 ( eV )
Foton
Enerjisi
 Uyarılmış olan elektronlar ve boşluklar çok kısa bir süre içerisinde (10-12 s) enerjilerini
kaybederler.
 Neticede, her bir elektron, yasak bant enerjisine eşit foton enerjisini kaybederek tekrar valans
bandındaki boşluklarla birleşirler.
 Elektronların iletim bandında kaldıkları süreye “ömür süresi (life time)” adı verilir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çiftleri
Foton
Enerjisi
Eg = 1.1 ( eV )
Foton
Enerjisi
 Eğer, iletim bandına çıkmış olan elektronlar, ömür süreleri içerisinde boşluklardan (yani artı
yüklerden) bir şekilde ayrılmazlar ise, elektriksel akıma yani fotovoltaik hücredeki enerji
dönüşümüne katkısı olmayacaktır.
 Yani bu durumu şöyle düşünebiliriz; elimizde bulunan sudaki hidrojenden faydalanmak
istiyorsak onu mutlaka bir şekilde (elektroliz gibi) oksijenden ayırmamız gerekir ki kullanalım.
 Fotovoltaik hücrede, elektron-boşluk çiftinin ayrılmasını temin edecek kuvvet elektrik alanıdır.
 Gerekli olan bu elektriksel alan, katkılama adını verilen, elektriksel iletkenlik karakteristikleri
birbirlerinden farklı olan yarıiletkenlerin bir araya getirilmesi ile sağlanır.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çifti
 Saf (herhangi bir katkılama yapılmamış) Silikonun bir kısmına gerilim uygulandığında Şekilde
görüldüğü gibi, iletim bandındaki serbest elektronların negatif uçtan pozitif uca hareket
ederler.
 Saf Silikonun içerisindeki tıpkı negatif yüklü elektronlar gibi pozitif yüklü boşluklarda hareket
ederler.
 Silikon kristali içerisinde Valans bandındaki elektronlar
rahatlıkla komşu bir boşluğa taşınarak bir boşluktan diğerine
hareket edebilir.
Böylece, kristal yapı içerisindeki
boşluklarda (elektronların hareketinin tersi yönde) hareket
etmiş olacaktır.
Silikon içerisindeki elektron ve boşluk hareketi (akışı)
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çifti
 Bir fotonun, silikon yarıiletkeni içerisinde bir adet elektron-boşluk çifti
oluşturabilmesi için sahip olması gereken maksimum dalga boyu değeri
belirlenerek, foton enerjisi-dalga boyu grafiği çizilebilir.
 Foton enerjisi-dalga boyu grafiği kullanılabilir ve kayıp enerji miktarlarının tespiti
açısından önemlidir.
Silikon için : Eg = 1.12 eV
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çifti
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping)
 Katkılama (doping) , saf yarıiletken malzemeye , yapısal özelliklerini bozmayacak
oranda, katkı maddesi eklenerek, elektriksel özelliklerinin kontrollü bir şekilde
değiştirilmesi işlemidir.
 Bir fotovoltaik hücre, yasak bant enerjisinden daha yüksek enerji içeriğine sahip
fotonlar tarafından tahrik edildiği sürece, yarıiletken malzeme içerisinde elektronboşluk çiftlerinin oluşumu devam eder.
 Buradaki temel problem, elektron ve boşlukların yeniden birleşmesi neticesinde, yük
taşıyıcılarının enerji dönüşümünü tamamlayamadan ortadan kaybolmasıdır
 Yeniden birleşmenin önüne geçebilmek için, iletim bandındaki elektronları,
boşluklardan uzak tutacak bir kuvvete ihtiyaç duyulur.
 Bu kuvvet, yarıiletken malzeme içerisinde oluşturulan bir elektriksel alan ile temin
edilir.
 Söz konusu elektriksel alan, elektronları ve boşlukları zıt yönlere doğru iterek
yeniden birleşmeye engel olur.
 Yarıiletken malzeme içerisinde elektriksel alan oluşturabilmek için, kristal içerisinde
iki farklı bölge meydana getirilir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping)
P-tipi Malzeme
 Bölgelerden biri, saf silikon kristaline periyodik tablonun 3A grubunda yer alan bir
elementin, çok düşük konsantrasyonlarda ilave edilmesiyle oluşturulur.
 Bu katkılama işlemi sonucunda P-tipi yarıiletken oluşur.
N-tipi Malzeme
 Diğer bölge ise yine saf silikon kristaline, bu sefer periyodik tablonun 5A grubunda
bulunan bir elementin eklenmesi neticesinde meydana getirilir.
 Bu katkılama işlemi sonucunda N-tipi yarıiletken oluşur.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping)
p -tipi Malzeme
 Silikon kristali içerisine, 3A grubundan Bor ilave edilirse, Borun 3 adet valans
elektronu ile silisyum 4 adet valans elektronu, kendi aralarında kovalent bağ yapar ve
silikon atomuna ait bir valans elektronu boşta kalır.
 Silikon atomunun boşta kalan valans elektronu, komşu Bor atamonda bulanan
boşluğu doldurur. Böylece, silikonun kristal yapısı içerisinde 1 elektron eksikliği
meydana gelmiş olur.
 Yarıiletken kristalinden elektron alarak elektron ihtiyacına neden oldukları için, bu
atomlara akseptör (alıcı) atom adı verilir.
 Silikon kristali içerisinde akseptör
atomlarının yer aldığı bölgede
boşluk fazlalığı olduğu için bu
bölüm p - tipi malzeme olarak
isimlendirilir.
B atomundan
oluşan boşluk
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping)
n -tipi Malzeme
 Silikon kristali içerisine, periyodik tablonun 5A grubunda yer alan Fosfor ilave
edilirse, fosforun 5 adet valans elektronu ile silisyum 4 adet valans elektronu, kendi
aralarında kovalent bağ yapar.
 Fosforun beşinci valans elektronu kristal içerisinde serbest kalır.
 Kristale fazladan elektron bıraktığı için bu atomlara donör (verici) atom adı verilir.
 Silisyum kristali içerisinde donör atomlarının yer aldığı bölgede elektron fazlalığı
olduğu için bu bölüm ise n -tipi malzeme olarak isimlendirilir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping):
p - n Junction (Kavşağı)
 Elektron eksikliği (yada boşluk fazlalığı) olan p -tipi malzeme ile elektron fazlalığı
olan n -tipi malzemenin birleştirildikleri sınıra p-n junction (kavşağı) adı verilir.
 p-n kavşağı bir elektriksel alan oluşmasını sağlar.
 Oluşan bu elektriksel alan, n-tipi malzemenin kavşağa yıkın bölgelerindeki
hareketli elektronlarının, arkalarında pozitif yüklü boşluklar bırakarak, p - tipi
malzemeye geçmelerine sebep olur.
 Sınırı geçerek p-tipi malzeme içerisine gelen elektronlar kavşağa yakın bölgede
bulunan boşluklara yerleşirler.
P-N Junction
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping):
p - n Junction (Kavşağı)
 P-n kavşağındaki elektron ve boşluk hareketi denge durumu elde edilinceye kadar
devam eder. Denge durumuna ulaşıldığında “deplasyon bölgesi” adı verilen bir
tabaka oluşur.
 Deplasyon bölgesi, boşlukları p – tipi malzemeye, elektronları ise n- tipi malzemeye
iterek, elekron ve boşluk hareketini engeller (bu yüzden yükten arındırılmış bölge
olarakta isimlendirilir).
 Böylece, fotovoltaik hücrede enerji dönüşümünün temel problemi olan, elektron ve
boşlukların yeniden birleşmesi önlenmiş olur.
Elektrik alan (potansiyel engel)
Deplasyon Bölgesi
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping):
p - n Junction (Kavşağı)
P-N Junction (Kavşağı)
Elektrik alan (potansiyel engel)
Deplasyon Bölgesi

Download Report