Güneş enerjisi teknolojileri; üretimde kullanılan malzeme, uygulanan metot ve teknolojik yapı olarak çok çeşitlilik arz eder; ancak yine de iki temel türde gruplandırılabilir. Bunlardan birincisi, ısıl güneş teknolojileri ve ikincisi fotovoltaik güneş teknolojileridir (PV).

Birinci grup sistemlerde, güneş enerjisinden ısı elde edilmekte; ısı hem doğrudan ve hem de elektrik üretimi için kullanılabilmektedir. İkinci grup sistemler ise yarı iletken malzemelerden oluşmaktadır. Bu sistemler, güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirmektedirler.

Güneş enerjisi, %5 ile %20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Güneş enerjisinin verimini fotovoltaik hücrenin yapısı belirler. Birçok sayıda fotovoltaik hücre, birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir. Bu sayede, birkaç Watt'tan, mega Watt değerlerine kadar güç değerlerine ulaşılır ve güç çıkışının artırılması sağlanır.

1. Güneş Panellerinin Özellikleri

Güneş pilleri veya hücreleri denilen bu malzemeler, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine çeviren yarı iletken maddelerden oluşmaktadır. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde yapılmıştır.

Güneş hücreleri fotovoltaik ilkelere dayalı olarak çalışırlar. Yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Hücrenin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Güneş hücrelerinde mekanik olarak elektrik üreten cihazların aksine hareketli parçalar olmadığından teorik ömürleri sonsuzdur.

1.1. Güneş Panellerinin Elektriksel Karakteristikleri

PV sistemlerin en temel yapı taşı olan güneş pilleri farklı şekillerle bir araya gelerek modülleri oluştururken bu modüller de amaca göre değişik şekillerde bir araya getirilerek panelleri oluştururlar.

Fotovoltaik güneş pilleri algıladıkları foton enerjisinden eşit sayıda pozitif ve negatif yükler oluşturarak güneş enerjisini doğrudan kullanılabilir yararlı elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır. Oluşturulan pozitif ve negatif yükler fotovoltaj ve fotoakım meydana getirmek üzere ayrıştırılırlar. Negatif (elektronlar) ve pozitif (delikler) yükleri ayrıştırmak için en uygun malzemeler Silikon, Bakır-Kadmium Sülfat ve Galyum-Arsenit gibi yarıiletkenler olup, fotovoltaik güneş pillerinin üretiminde en fazla bunlar kullanılırlar.

FV güneş pillerinin çalışması pozitif-negatif (P-N) birleşimli bir diyotun çalışmasına benzer. Yani elektronlar N katmanından çıkıp bir dış devre üzerinden P katmanına geri dönerler ve deliklerle yeniden birleşirler. Yarıiletken bir diyot oluşturulurken, pozitif (P) tipi ve negatif (N) tipi iki yarıiletken malzeme birleştirilir.

Bir miktar ışık, bir foton, bir Silikon güneş pili üzerine düşerse, bu enerji pilin varyans bandında bir elektron oluşmasına neden olur. Böyle bir elektron termik enerji harcar ve kendisini yukarı doğru hareket ettirir. Aynı sonuç ışık enerjisi ile de elde edilir. Eğer enerjisi enerji boşluğundan daha büyük olan bir foton bir varyans elektronuna çarparsa bu elektron fotonu yutar ve iletim bandına sıçrar. N ya da P tipi malzemelerin içinde böyle bir olay meydana gelirse, yeni oluşturulan serbest elektron ve delik, diğer elektron ve delikler tarafından hızlıca yutularak yeni bir birleşme meydana getirirler.

1.2. Güneş Panellerinin Yapısal Özellikleri

Güneşten emdikleri foton ışınlarının enerjisiyle akım ve gerilim oluşturan sistemlerin yapısı bu ışınları daha fazla tutmak (soğurmak) ve elektrik akımı oluşturmak üzere özelleşmiştir. Gelişmiş modellerinde odaklayıcı aynalar bulunurken, teknolojinin ilerlemesiyle kullanılan malzemelerin çeşitliliği ve kalitesi artmakta, bu da verimde artış sağlamaktadır. Güneş pillerinin yapısının çok büyük bir bölümünü verimi düşük yarı iletkenler oluşturur. Yapıları karmaşık gibi görünse de temel çalışma prensipleri 1840‟lı yıllarda ortaya konulmuştur. İlk yapılan hücrenin verimi %1 ile %2 arasındadır. İlk yarı iletken silikon uyumlu PV hücreler 1954 yılında tasarlanmıştır ve verimleri yaklaşık %6‟dır.

Uzay üzerine olan yatırımların artması ve Bell Laboratuvarındaki Ar-Ge çalışmaları, bu alandaki gelişme hızını arttırmıştır. Zamanla gelişen teknolojiyle verimler %20‟lere kadar çıkmış ve kullanım alanları çoğalmıştır. Şüphesiz burada en büyük pay üretim yöntemlerinin geliştirilmesine aittir. Petrol krizine kadar duraklamaya giren üretim bu dönemden sonra tarımsal sulama, evsel kullanım, su pompalama, gece aydınlatması, akü şarjı, elektrik şebekelerinin beslenmesi gibi çok geniş alanlarda kullanılmaya başlanmıştır. 1990‟lardan itibaren fiyatların da düşmesiyle kullanım alanları ve miktarları artarak günümüze kadar gelmiştir. Günümüzde laboratuvar ortamında verimleri %40‟a ulaşan hücreler üretilse de maliyetleri nedeniyle kullanılabilir durumdaki güneş pillerinin verimleri yaklaşık %20-25 arasında değişmektedir.

1.3. Güneş Panellerinin Yapısı

Güneş hücreleri yarı iletken malzemelerden yapılır. En çok kullandığımız yarı iletken silikon malzemedir. Işık yarı iletken malzemeye ulaştığında malzeme tarafından emilir. Diğer bir deyişle ışık enerjisi yarı iletken malzemeye geçer, malzemedeki elektron bağlarını zayıflatır ve bir yerden bir yere gitmesini sağlayarak elektrik akımını oluşturur. Yarı iletkenler üzerine koyulan metal kolektörler bu elektrik akımını toplarlar.

Bir fotovoltaik pil 0.6 volt gerilim üretmektedir. Piller birbiri ile seri olarak bağlanarak fotovoltaik modülleri meydana getirirler. Güneşli bir havada 12 volt elde etmek için 20 adet pil seri bağlanarak oluşturulan modülün elektrik değerleri 10 amper 120 Watt’tır. Fotovoltaik modüllerden elde edilecek gerilimi yükseltmek için piller birbiri ile seri, akımı yükseltmek için ise piller birbirleri ile paralel bağlanırlar.

2. Güneş Paneli Çeşitleri

Güneş paneli yapımı için bir düzineden fazla madde kullanılmakta ve bunun yanı sıra yüzlerce maddenin de üzerinde çalışmalar devam etmektedir.

Fotovoltaik hücreler temel olarak kristal silikon hücreler (C-Si) ve ince film hücreler olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır. Şekil 4.5’te fotovoltaik hücre tipleri sınıflandırılmıştır. Günümüzde kristal silikon hücreler yaklaşık %90 pazar payı ile en yaygın kullanılan teknolojidir. Diğer taraftan, ince film teknolojisi de son yıllarda büyük gelişim göstermiş ve pazar payını hızla arttırmıştır.

Güneş pilleri çeşitli üretim süreçlerinden geçen yarı iletkenlerden oluşurlar. Bunlar silisyum, iridyum, tellür, kadmiyum gibi elementlerin değişik işlemlere tabi tutulmalarıyla oluşturulurlar. Belli başlı güneş pili türleri aşağıda verilen başlıklardaki gibi gruplandırılabilir.

2.1. Kristal Silisyum Güneş Panelleri

Silisyum atomunun optik, elektriksel ve yapısal özelliklerinin uzun süre değişmemesi ve silisyum üretim teknolojisinde ulaşılan seviye bu malzemenin en popüler malzeme olarak öne çıkmasını sağlamaktadır.

Fotovoltaik özellikleri daha üstün olan başka maddeler de olmakla birlikte, silisyum hem teknolojisinin üstünlüğü nedeniyle hem de ekonomik nedenlerle tercih edilmektedir.

2.2. Monokristal Silisyum Güneş Panelleri

Monokristalin-silikon(C-Si) malzemeden yapılmış güneş hücrelerinden oluşturulan panellerdir. Monokristalin güneş panelleri yaklaşık 20% verimlik kapasitesindedir. Kalite ve verimlilik açısından monokristalin güneş pilleri en iyileridir. Monokristalin paneller uzun vadeli yatırım için en iyi seçenektir. Monokristal solar hücreler siyah veya koyu mavi renktedir. Tek bir kristalden yapılır ve tüm silikon hücreler arasında en yüksek verimlilik faktörüne sahiptir.

Monokristal silikon üretiminde “Czochralsi Metodu” olarak bilinen bir üretim metodu kullanılmaktadır. Çok yüksek sıcaklıklarda işlem gerektiren bu metotla, 300 mm çapında tek kristalli ve birkaç metre boyunda silikon silindirler oluşturulmakta ve bu silindirler gerek dairesel formda gerekse dörtgen veya çokgen şekilde pahlanarak 0,15-0,2 mm kalınlığında dilimlenmektedirler. Sonuçta ortaya çıkan plakaların p tabakası hazır olmakla birlikte, n tabakası da fosfor difüzyonuyla oluşturulmaktadır. Ön ve arka kontak noktaları da bağlanınca hücrenin elektrik akım yolu ortaya çıkmış olmaktadır. Son olarak, hücrenin üzerine düşen güneş ışınlarının yansımasının engellenmesi amacıyla ön yüzey yansıma önleyici malzeme ile kaplanarak, hücre üretimi sonlanmış olmaktadır. Bu metodun, transistor ve entegre üretiminde kullanıldığı bilinmektedir. Bu bağlamda bilinen en güvenilir üretim yöntemi olduğundan yaygın olarak kullanılmaktadır.

Monokristal hücre üretiminde en önemli sorunlardan birisinin yüksek malzeme kaybı olduğu belirtilmektedir. Özellikle, ısıl işlem sonrası yapılan dilimlemede yüksek hacimlerde kayıp yaşanmaktadır. Bu sorunun giderilmesi için çalışmalar yapılmaktadır.

2.3. Polikristal Silisyum Güneş Panelleri

Polikristal güneş panelleri monokristal güneş panellerinden kalite ve verimlilik açısından daha az verimli hücrelerden yapılmaktadır. Fakat fotovoltaik sistemlerde kullanım alanı oldukça fazladır. Fazla kullanılmasının nedeni daha kolay bulunması ve buna bağlı olarak da daha ucuz olmasıdır. Polikristalin anlamı, materyalin tam olarak homojen olmaması demektir.

Polikristal hücrelerde, verimlilik %14 - %17 seviyelerine düşmektedir. Ancak, üretim metodu monokristal hücrelerde olduğu kadar hassasiyet gerektirmediğinden üretim maliyetlerinin daha düşük olduğu bilinmektedir. Polikristal hücrelerin yapıları çok kristallidir ve ışığın yansımasıyla bu kırılmalar gözlemlenebilir. Yansımayı engelleyen anti reflektif kaplamadan ötürü rengi mavi iken kaplamasız hücre gümüş rengindedir.

2.4. Çok Kristalli Silisyum Güneş Panelleri

Üretim kolaylığı ve maliyetindeki düşüklük nedeniyle en çok kullanılan güneş pili türüdür. Buna karşın verimleri daha düşüktür. Bu pillerin verimleri %14 civarında olup, kümelenmiş silisyum taneciklerinin sınırlarındaki kayıplara bağlıdır. Yapısı mono kristalde olduğu gibi homojen tek kristal değildir.

2.5. Ribbon Silisyum Güneş Panelleri

Bu piller, malzeme kaybının azaltılması amacıyla levha halinde silisyum tabakalarından yapılırlar. Çeşitli yöntemlerle (Efg, Dendritik ağ) elde edilen bu piller, halen geliştirme aşamasındadır. Verimleri laboratuvar şartlarında %13-14 arasındadır.

2.6. İnce Film Güneş Panelleri

Bu teknikte, absorban özelliği daha iyi olan maddeler kullanılarak daha az kalınlıkta (tek kristalin 1/500‟ü kalınlığında) güneş pilleri yapılır. Bu piller cam, demir gibi yüzeylerin etrafının yarı iletken ince film malzemeyle kaplanmasıyla elde edilir. Yapıları çok kristalli ve üretimleri kolay olduğundan özellikle dış kaplamadan elektrik üretmek için kullanılabilir. Genellikle verimleri düşüktür (%10 civarında). En büyük avantajları yapısının basit olması ve mono ve polikristal hücreler gibi kalın olmamasıdır. Yapılan çalışmalar verimlerinde sağlanabilecek artış ve kullanım kolaylığı sayesinde tüm binaların cam yüzeylerinden elektrik elde edilmesini sağlayabileceğini göstermiş ve uygulamaları yapılmıştır. En yaygın kullanılan türleri; Amorf Silisyum, Kadmiyum Tellürid (CdTe) ve Bakır-İndiyum Diselenoid‟dir. Tek dezavantajları ise kullanılan maddelerden indiyumun doğada az bulunmasıdır.

2.7. Esnek Paneller

Fotovoltaik sistemlerde kullanılmakta olan güneş panellerinin yerine, çatı uygulamalarında kullanılmak için üretilmekte olan panellerdir. Diğer panellerin PV sistem kurulumlarında fiziksel olarak çatıya montajları zordur, izolasyona zarar vermektedirler. Esnek paneller ise çatı izolasyonuna zarar vermeden monte edilmektedirler. Ayrıca uygulamalarda da enerji üretiminden başka çatı kaplaması olarak da kullanılmaktadır. Hem kristal hem de ince film hücrelerden oluşanları vardır.

Yapı olarak ince film hücrelerden imal edilenler esnektir ve serme şeklinde kullanılabilmektedir. Montajda ayrıca konstrüksiyona gerek duyulmaz. Aynı zamanda kristal yapıya sahip güneş panellerine nazaran ağırlık dağılımları daha iyidir. Yapılarında cam bulunmadığından dolayı kırılma riskleri taşımazlar. En önemli özelliklerinden biri de taşınmaları kolaydır.

2.8. Diğer Yapılar

Bakır indiyum diselenoid maddesinden yapılan ve verimleri %13 civarında olan piller halen gelişme aşamasındadır ve daha kararlı çıkışa sahip olduğu için absorban özelliği yüksek, verimleri de %12 civarındadır. Bugüne kadar elde edilen en yüksek verime (%24) galyum arsenitten yapılan piller ulaşmıştır. Bu madde ile çeşitli türde piller elde edilebilmekle birlikte, pahalı olduğu için pillerin, güneş spektrumunun daha büyük bir bölümünden yararlanabilmesi amacı ile denenen bir yöntem ise, birden fazla ince film yapısının üst üste konmasıyla elde edilen çok eklemli film yapılarıdır. Bunların dışında, güneş ışınımını yüksek verimli pillerin üzerine optik olarak yoğunlaştıran sistemler üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Bu tür sistemlerde güneşin hareketini izleyen düzeneklerin yanı sıra, güneş ışığını kıran (mercek) ya da yansıtan (ayna) eleman kullanılır.

Güneş enerjisi endüstrisinde araştırma geliştirme çalışmalarının devam ettiği bilinmektedir. Geleneksel güç sistemlerine göre oldukça düşük seviyelerde olan verimliliğin arttırılması, değişken güneş koşullarında performans kayıplarının azaltılması ve maliyetlerin düşürülmesi adına sürekli yeni hammadde ve/veya üretim yöntemlerinin geliştirildiği raporlardan görülebilmektedir. Kristal silikon hücrelere alternatif olarak ince film teknolojisinin geliştirilmesi sonrasında, üçüncü nesil olarak adlandırılan yeni nesil hücre araştırmalarında önemli gelişmelerin kaydedildiği belirtilmektedir. Yapılan açıklamalara göre bu çalışmalarda odak noktası, geleneksel metotlarla üretilen hücrelerin maliyetlerini aşağı çekerken hücre verimini yukarı çıkarmaktır. Bu kapsamda, önemli çalışmalardan bir tanesi çok düşük maliyetli organik fotovoltaik hücreler olarak dikkat çekmektedir. Ancak bu hücre tipinde henüz ticari verimlilik değerlerine ulaşılabildiğine dair bir açıklama yapılmamıştır. Organik hücreler gibi, tamamen yeni hammadde türlerinin kullanımını gündeme getiren teknolojilerin yanı sıra, mevcut malzemelerin farklı birleşim/üretim teknikleri ile uygulandığı ve yüksek performans üreten hücre tipleri de geliştirilmektedir. Bu çalışmalar arasında mikromorf tandem ve HIT (Saf ince katman ile farklı bağlantı) performans değerleri ile öne çıkmaktadır.

HIT güneş hücreleri, geleneksel kristal ve ince film güneş hücrelerinin birleşiminden oluşmaktadır. HIT terimi bu melez hücreye verilen İngilizce adın kısaltmasıdır. Bu hücreyi katkısız ince film tabakayla bağ yapan kristal ve amorf silikon oluşturmaktadır. Kristal hücrelere göre HIT hücrelerinin sıcaklıktan kaynaklanan verim kayıpları daha az olmaktadır ve üretim esnasında daha az enerji ve ham madde tüketmektedirler. Hücre şekilleri, 104 mm x 104 mm boyutunda pahlanmış kare olup ve kalınlıkları 0,2 mm’e kadar düşebilmektedir. Hücre verimlilikleri %19 - %20 civarlarındayken panel verimliliği de %16 - %17’dir. Hücre yapıları homojendir ve hücreler koyu mavi hatta neredeyse siyah renktedir. Tandem güneş paneli ise güneş ışınını daha fazla soğurabilmek amacıyla değişik enerji aralığına sahip birden fazla güneş panelinin üst üste eklenmesiyle oluşmaktadır. Birden fazla güneş panelinin üst üste eklenmesiyle, gelen ışınım spektrumuna daha duyarlı bir yapı oluşmaktadır ve geleneksel güneş hücrelerine göre daha fazla ışın absorbe edilebilmektedir. Mikromorf adı, amorf ve mikrokristal silisyumun kombinasyonundan gelmektedir.

Dolayısıyla mikromorf güneş panelinde üstte bulunan a-Si:H tabakası düşük dalga boylarını soğurmaktadır, altta bulunan μc Si:H tabakası daha yüksek dalgaboylarını soğurmaktadır. Mikromorf tandem güneş panelinin yaklaşık kalınlığı 2-3 μm civarında olmaktadır.

˂ Türkiye’deki Güneş Enerjisi Santralleri Bağlantı Şekillerine Göre Fotovoltaik Sistemler ˃