Guneş pilleri (fotovoltaik piller), yuzeylerine gelen guneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine donuşturen yarıiletken maddelerdir. Yuzeyleri kare, dikdortgen, daire şeklinde bicimlendirilen guneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.
Guneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak calışırlar, yani uzerlerine ışık duştuğu zaman uclarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yuzeyine gelen guneş enerjisidir.
Guneş enerjisi, guneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine cevrilebilir.
Guc cıkışını artırmak amacıyla cok sayıda guneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yuzey uzerine monte edilir, bu yapıya guneş pili modulu ya da fotovoltaik modul adı verilir. Guc talebine bağlı olarak moduller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak bir kac Watt'tan megaWatt'lara kadar sistem oluşturulur.



GUNEŞ PİLLERİNİN YAPISI
VE CALIŞMASI
Gunumuz elektronik urunlerinde kullanılan transistorler, doğrultucu diyotlar gibi guneş pilleri de, yarı-iletken maddelerden yapılırlar. Yarı-iletken ozellik gosteren bircok madde arasında guneş pili yapmak icin en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellur gibi maddelerdir.
Yarı-iletken maddelerin guneş pili olarak kullanılabilmeleri icin n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarıiletken eriyik icerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollu olarak eklenmesiyle yapılır. Elde edilen yarı-iletkenin n ya da p tipi olması katkı maddesine bağlıdır. En yaygın guneş pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum elde etmek icin silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element, orneğin fosfor eklenir. Silisyum'un dış yorungesinde 4, fosforun dış yorungesinde 5 elektron olduğu icin, fosforun fazla olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir. Bu nedenle V. grup elementlerine "verici" ya da "n tipi" katkı maddesi denir.
P tipi silisyum elde etmek icin ise, eriyiğe 3. gruptan bir element (aluminyum, indiyum, bor gibi) eklenir. Bu elementlerin son yorungesinde 3 elektron olduğu icin kristalde bir elektron eksikliği oluşur, bu elektron yokluğuna hol ya da boşluk denir ve pozitif yuk taşıdığı varsayılır. Bu tur maddelere de "p tipi" ya da "alıcı" katkı maddeleri denir.
P ya da n tipi ana malzemenin icerisine gerekli katkı maddelerinin katılması ile yarıiletken eklemler oluşturulur. N tipi yarıiletkende elektronlar, p tipi yarıiletkende holler coğunluk taşıyıcısıdır. P ve n tipi yarıiletkenler biraraya gelmeden once, her iki madde de elektriksel bakımdan notrdur. Yani p tipinde negatif enerji seviyeleri ile hol sayıları eşit, n tipinde pozitif enerji seviyeleri ile elektron sayıları eşittir. PN eklem oluştuğunda, n tipindeki coğunluk taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine doğru akım oluştururlar. Bu olay her iki tarafta da yuk dengesi oluşana kadar devam eder. PN tipi maddenin ara yuzeyinde, yani eklem bolgesinde, P bolgesi tarafında negatif, N bolgesi tarafında pozitif yuk birikir. Bu eklem bolgesine "geciş bolgesi" ya da "yukten arındırılmış bolge" denir. Bu bolgede oluşan elektrik alan "yapısal elektrik alan" olarak adlandırılır. Yarıiletken eklemin guneş pili olarak calışması icin eklem bolgesinde fotovoltaik donuşumun sağlanması gerekir. Bu donuşum iki aşamada olur, ilk olarak, eklem bolgesine ışık duşurulerek elektron-hol ciftleri oluşturulur, ikinci olarak ise, bunlar bolgedeki elektrik alan yardımıyla birbirlerinden ayrılır.



Yarıiletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur. Bu bandlar valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eşit veya daha buyuk enerjili bir foton, yarıiletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans banddaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına cıkmasını sağlar. Boylece, elektron-hol cifti oluşur. Bu olay, pn eklem guneş pilinin ara yuzeyinde meydana gelmiş ise elektron-hol ciftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde guneş pili, elektronları n bolgesine, holleri de p bolgesine iten bir pompa gibi calışır. Birbirlerinden ayrılan elektron-hol ciftleri, guneş pilinin uclarında yararlı bir guc cıkışı oluştururlar. Bu surec yeniden bir fotonun pil yuzeyine carpmasıyla aynı şekilde devam eder. Yarıiletkenin ic kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol ciftleri oluşturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı icin tekrar birleşerek kaybolmaktadırlar.

Guneş Pillerinin Yapımında Kullanılan Malzemeler
Guneş pilleri pek cok farklı maddeden yararlanarak uretilebilir. Gunumuzde en cok kullanılan maddeler şunlardır:
Kristal Silisyum: Once buyutulup daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan uretilen guneş pillerinde laboratuvar şartlarında %24, ticari modullerde ise %15'in uzerinde verim elde edilmektedir. Dokme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Cokkristal Silisyum guneş pilleri ise daha ucuza uretilmekte, ancak verim de daha duşuk olmaktadır. Verim, laboratuvar şartlarında %18, ticari modullerde ise %14 civarındadır.
Galyum Arsenit (GaAs): Bu malzemeyle laboratuvar şartlarında %25 ve %28 (optik yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan cok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs guneş pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır.
İnce Film:
Amorf Silisyum: Kristal yapı ozelliği gostermeyen bu Si pillerden elde edilen verim %10 dolayında, ticari modullerde ise %5-7 mertebesindedir. Gunumuzde daha cok kucuk elektronik cihazların guc kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum guneş pilinin bir başka onemli uygulama sahasının, binalara entegre yarısaydam cam yuzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji ureteci olarak kullanılabileceği tahmin edilmektedir.
Kadmiyum Tellurid (CdTe): Cokkristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile guneş pili maliyetinin cok aşağılara cekileceği tahmin edilmektedir. Laboratuvar tipi kucuk hucrelerde %16, ticari tip modullerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir.
Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu cokkristal pilde laboratuvar şartlarında %17,7 ve enerji uretimi amaclı geliştirilmiş olan prototip bir modulde ise %10,2 verim elde edilmiştir.
Optik Yoğunlaştırıcılı Hucreler: Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araclarla modul verimi %17'nin, pil verimi ise %30'un uzerine cıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden yapılmaktadır.
Guneş Pili Sistemleri
Guneş pilleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Guneş pili modulleri uygulamaya bağlı olarak, akumulatorler, invertorler, aku şarj denetim aygıtları ve ceşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir gunes pili sistemi (fotovoltaik sistem) oluştururlar. Bu sistemler, ozellikle yerleşim yerlerinden uzak, elektrik şebekesi olmayan yorelerde, jeneratore yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda kullanılırlar. Bunun dışında dizel jeneratorler ya da başka guc sistemleri ile birlikte karma olarak kullanılmaları da mumkundur.
Bu sistemlerde yeterli sayıda guneş pili modulu, enerji kaynağı olarak kullanılır. Guneşin yetersiz olduğu zamanlarda ya da ozellikle gece suresince kullanılmak uzere genellikle sistemde akumulator bulundurulur. Guneş pili modulleri gun boyunca elektrik enerjisi ureterek bunu akumulatorde depolar, yuke gerekli olan enerji akumulatorden alınır. Akunun aşırı şarj ve deşarj olarak zarar gormesini engellemek icin kullanılan denetim birimi ise akunun durumuna gore, ya guneş pillerinden gelen akımı ya da yukun cektiği akımı keser. Şebeke uyumlu alternatif akım elektriğinin gerekli olduğu uygulamalarda, sisteme bir invertor eklenerek akumulatordeki DC gerilim, 220 V, 50 Hz.lik sinus dalgasına donuşturulur. Benzer şekilde, uygulamanın şekline gore ceşitli destek elektronik devreler sisteme katılabilir. Bazı sistemlerde, guneş pillerinin maksimum guc noktasında calışmasını sağlayan maksimum guc noktası izleyici cihazı bulunur. Aşağıda şebekeden bağımsız bir guneş pili enerji sisteminin şeması verilmektedir.




__________________