Kaynak: www.energy.gov
Işık, güneş pili olarak da adlandırılan bir fotovoltaik (PV) hücre üzerinde parladığında, bu ışık yansıyabilir, emilebilir veya hücrenin içinden geçebilir. PV hücresi yarı iletken malzemeden oluşur; "Yarı", elektriği bir yalıtkandan daha iyi iletebileceği, ancak metal gibi iyi bir iletken kadar iyi iletemeyeceği anlamına gelir. PV hücrelerinde kullanılan birkaç farklı yarı iletken malzeme vardır.
Yarı iletken ışığa maruz kaldığında ışığın enerjisini emer ve elektron adı verilen malzemedeki negatif yüklü parçacıklara aktarır. Bu ekstra enerji, elektronların materyalden elektrik akımı olarak akmasına izin verir. Bu akım, bir güneş pili üzerindeki ızgara benzeri hatlar olan iletken metal kontaklar aracılığıyla çıkarılır ve daha sonra evinize ve elektrik şebekesinin geri kalanına güç sağlamak için kullanılabilir.
Bir PV hücresinin verimliliği, basitçe hücreden çıkan elektrik enerjisinin, üzerine parlayan ışıktan gelen enerjiye kıyasla miktarıdır; bu, hücrenin enerjiyi bir biçimden diğerine dönüştürmede ne kadar etkili olduğunu gösterir. PV hücrelerden üretilen elektrik miktarı, mevcut ışığın özelliklerine (yoğunluk ve dalga boyları gibi) ve hücrenin çoklu performans özelliklerine bağlıdır.
PV yarı iletkenlerinin önemli bir özelliği, malzemenin hangi dalga boylarında ışığı emebileceğini ve elektrik enerjisine dönüştürebileceğini gösteren bant aralığıdır. Yarı iletkenin bant aralığı, PV hücresinde parlayan ışığın dalga boylarıyla eşleşirse, o hücre mevcut tüm enerjiyi verimli bir şekilde kullanabilir.
PV hücreleri için en yaygın olarak kullanılan yarı iletken malzemeler hakkında aşağıda daha fazla bilgi edinin.
SİLİKON
Silikon, bugüne kadar satılan modüllerin yaklaşık %95'ini temsil eden, güneş pillerinde kullanılan en yaygın yarı iletken malzemedir. Aynı zamanda Dünya'da (oksijenden sonra) en bol bulunan ikinci malzemedir ve bilgisayar çiplerinde kullanılan en yaygın yarı iletkendir. Kristalin silikon hücreler, kristal bir kafes oluşturmak için birbirine bağlı silikon atomlarından yapılır. Bu kafes, ışığın elektriğe dönüşümünü daha verimli hale getiren organize bir yapı sağlar.
Silisyumdan yapılmış güneş pilleri şu anda yüksek verimlilik, düşük maliyet ve uzun kullanım ömrü bir arada sunmaktadır. Modüllerin 25 yıl veya daha fazla dayanması ve bu süreden sonra hala orijinal güçlerinin %80'inden fazlasını üretmesi bekleniyor.
İNCE FİLM FOTOVOLTAİK
Bir ince film güneş pili, cam, plastik veya metal gibi bir destekleyici malzeme üzerine bir veya daha fazla ince PV malzeme katmanının yerleştirilmesiyle yapılır. Bugün piyasada iki ana tip ince film PV yarı iletken vardır: kadmiyum tellür (CdTe) ve bakır indiyum galyum diselenid (CIGS). Her iki malzeme de doğrudan modül yüzeyinin önüne veya arkasına yerleştirilebilir.
CdTe, silikondan sonra en yaygın ikinci PV malzemesidir ve CdTe hücreleri, düşük maliyetli üretim süreçleri kullanılarak yapılabilir. Bu onları uygun maliyetli bir alternatif haline getirirken, verimlilikleri hala silikon kadar yüksek değildir. CIGS hücreleri, bir PV malzemesi için optimal özelliklere ve laboratuvarda yüksek verimliliğe sahiptir, ancak dört unsuru birleştirmenin içerdiği karmaşıklık, laboratuvardan üretime geçişi daha zor hale getirir. Hem CdTe hem de CIGS, açık havada uzun süreli çalışmayı sağlamak için silikondan daha fazla koruma gerektirir.
PEROVSKITE FOTOVOLTAİK
Perovskitesolar hücreler bir tür ince film hücredir ve karakteristik kristal yapılarından sonra adlandırılırlar. Perovskite hücreler, basılmış, kaplanmış veya vakumla kaplanmış, altta yatan bir destek tabakası üzerine yerleştirilmiş malzeme katmanları ile inşa edilmiştir.substrat.Genellikle montajı kolaydır ve kristal silikona benzer verimliliklere ulaşabilirler. Laboratuarda, perovskite güneş pili verimliliği, 2009'da %3'ten 2020'de %25'in üzerine çıkarak diğer tüm PV malzemelerinden daha hızlı iyileşti. Ticari olarak uygulanabilir olması için, perovskite PV hücrelerinin açık havada 20 yıl hayatta kalabilecek kadar kararlı hale gelmesi gerekiyor, bu nedenle araştırmacılar onları daha dayanıklı hale getirmek ve büyük ölçekli, düşük maliyetli üretim teknikleri geliştirmek için çalışıyorlar.
ORGANİK FOTOVOLTAİK
Organik PV veya OPV hücreleri, karbon bakımından zengin (organik) bileşiklerden oluşur ve PV hücresinin bant aralığı, şeffaflık veya renk gibi belirli bir işlevini geliştirmek için uyarlanabilir. OPV hücreleri şu anda kristal silikon hücrelerin sadece yarısı kadar verimlidir ve daha kısa çalışma ömürlerine sahiptir, ancak yüksek hacimlerde üretilmesi daha ucuz olabilir. Ayrıca esnek plastik gibi çeşitli destekleyici malzemelere de uygulanabilmeleri, OPV'nin çok çeşitli kullanımlara hizmet etmesini sağlar.
KUANTUM NOKTALARI
Kuantum nokta güneş pilleri, elektriği, kuantum noktaları adı verilen, yalnızca birkaç nanometre genişliğindeki farklı yarı iletken malzemelerin küçük parçacıkları aracılığıyla iletir. Kuantum noktaları, yarı iletken malzemeleri işlemek için yeni bir yol sağlar, ancak aralarında elektriksel bir bağlantı oluşturmak zordur, bu nedenle şu anda çok verimli değiller. Ancak, güneş pillerine dönüştürülmeleri kolaydır. Döndürerek kaplama yöntemi, sprey veya gazete basmak için kullanılanlar gibi rulodan ruloya yazıcılar kullanılarak alt tabakaya yerleştirilebilirler.
Kuantum noktaları çeşitli boyutlarda gelir ve bant aralıkları özelleştirilebilir, bu da yakalanması zor olan ışığı toplamalarını ve çok eklemli bir güneş pilinin performansını optimize etmek için perovskitler gibi diğer yarı iletkenlerle eşleştirilmelerini sağlar (aşağıdakiler hakkında daha fazlası).
ÇOKLU FOTOVOLTAİK
PV hücre verimliliğini artırmaya yönelik başka bir strateji, çok eklemli güneş pilleri yapmak için çoklu yarı iletkenleri katmanlandırmaktır. Bu hücreler, yalnızca bir yarı iletkene sahip olan tek bağlantı hücrelerinin aksine, esasen farklı yarı iletken malzemelerin yığınlarıdır. Her katmanın farklı bir bant aralığı vardır, bu nedenle her biri güneş spektrumunun farklı bir bölümünü emer ve tek bağlantı hücrelerine göre güneş ışığından daha fazla yararlanır. Çok eklemli güneş pilleri, birinci yarı iletken katman tarafından emilmeyen ışık, altındaki bir katman tarafından yakalandığı için rekor verimlilik seviyelerine ulaşabilir.
Birden fazla bant aralığına sahip tüm güneş pilleri çok eklemli güneş pilleri iken, tam olarak iki bant aralığına sahip bir güneş piline tandem güneş pili denir. Periyodik tablodaki sütun III ve V'deki yarı iletkenleri birleştiren çok eklemli güneş pilleri, çok eklemli III-V güneş pilleri olarak adlandırılır.
Çok eklemli güneş pilleri, %45'ten daha yüksek verimlilikler göstermiştir, ancak bunların üretimi maliyetlidir ve zordur, bu nedenle uzay araştırmaları için ayrılmıştır. Ordu, dronlarda III-V güneş pilleri kullanıyor ve araştırmacılar, yüksek verimliliğin önemli olduğu diğer kullanımları araştırıyorlar.
KONSANTRASYON FOTOVOLTAİKLERİ
CPV olarak da bilinen Konsantrasyon PV, bir ayna veya lens kullanarak güneş ışığını bir güneş pili üzerine odaklar. Güneş ışığını küçük bir alana odaklayarak, daha az PV malzemesi gereklidir. Işık daha konsantre hale geldikçe PV malzemeleri daha verimli hale gelir, bu nedenle CPV hücreleri ve modülleri ile en yüksek genel verimlilik elde edilir. Bununla birlikte, daha pahalı malzemeler, üretim teknikleri ve güneşin hareketini takip etme yeteneği gereklidir, bu nedenle günümüzün' yüksek hacimli silikon modüllerine göre gerekli maliyet avantajını göstermek zor hale geldi.
