Elektrik enerjisi üretiminde fotovoltaik cihazların verimliliklerine değişken parametre etkilerinin analitik incelenmesi
Analytical investigation of the effects of variable parameters on the efficiency of photovoltaic devices in electric power generation
Yazar: ERSİN YILDIZ
Danışman: PROF. DR. SALİH SAYGI
Tokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fotovoltaik = Photovoltaic ; Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Fotovoltaik piller = Photovoltaic cells ; Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems ; Matlab = Matlab ; Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
Foto-voltaik sistemler, diğer sistemlere oranla üretim maliyeti düşük olan, ara malzemeye ihtiyaç duymadan güneşten aldığı ışığı doğru akıma çevirerek elektrik enerjisi elde etmemizi sağlayan sistemlerdir. Günümüzde enerjinin maliyeti ve önemi göz önüne alındığında yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisinden elektrik elde etme yöntemi oldukça kullanışlı bir yöntem olacaktır. Güneş pili foto-voltaik sistemlerin en temel halidir. Foto-voltaik sistemlerin veriminin arttırılmasını sağlamak için güneş pilinin verimini arttırmamız gerekmektedir. Teorik çalışma deneysel çalışmanın zaman ve maliyet açısından daha uygun bir şekilde planlama yapılmasını sağlar. Teorik olarak yapılan çalışmalarda güneş pilinin üzerine düşen ışık vasıtasıyla oluşturduğu akım ve gerilime bağlı matematiksel ifadesinin analizi yapılabilir. Üretilen bu matematiksel ifade bize güneş pilinin üzerindeki oluşan akım, gerilim ve çıkışından alacağımız güç değerlerinin hangi değişken parametrelere bağlı olduğunu göstermektedir. Güneş pilinin verimine etki eden parametrelerin değişimine bağlı olarak oluşan sonuç gözlemlenebilir.
      Güneş pili üzerine düşürülen ışığın şiddeti, sıcaklık ve katkılama yöntemi ile konsantrasyon değerleri değiştirip diğer parametreleri sabit tutup güneş pilinin akım gerilim ve güç gerilim grafiklerini MATLAB benzetim programı ile oluşturduk. Bu grafikler yardımıyla güneş pili üzerindeki doldurma faktörü ve kuantum verimlilik değerlerinin hesaplaması yapıldı. 
Bunun sonucunda ışık akısı artarsa güneş pili üzerine oluşan kısa devre akımın değeri ile açık kapı voltajının arttığı gözlendi. Bu durumda güneş pilinin çıkışından alınacak güç değerinin ve veriminin arttığını gördük. Bu durum bize foto-voltaik sistemlerin üzerine düşen ışık ve niteliği ile daha verimli çalışacağını gösterdi. Elde edilen bu sonuç daha önceki çalışmalar ile uygun olduğu görülmüştür.
          
      Güneş pili verimine etki eden diğer parametre olan sıcaklık değerinin değişimi ve oluşan akım gerilim ve güç gerilim grafikleri incelendi. Yapılan inceleme sonucunda verime etki eden diğer parametreler sabit tutulurken sadece sıcaklık değerini artırdığımızda kısa devre akımındaki küçük artışa karşılık açık kapı gerilimindeki büyük azalma güneş pilinin çıkışından aldığımız güç ve verim değerinde azalma görülmüştür. Bunun sonucunda foto-voltaik sistemlerin sıcaklığın fazla olduğu bölgelerde veriminin düştüğünü söyleyebiliriz. Bu durumun daha önceki çalışmalar ile uyumluluk gösterdiği görülmüştür.
     Bir diğer parametre olan elektron-hol konsantrasyonunun değişimi ile oluşturduğumuz akım gerilim ve güç gerilim grafikleri incelendi. Yapılan inceleme sonucunda katkılama da ortaya çıkan sonuçların literatür ile uyumlu olduğu görüldü. Güneş pillerinden oluşturulan fotovoltaik panelin üreteceği enerji miktarının tahmin edilmesi ve verimli bir şekilde çalışması nümerik ifadelerin analizi ve simülasyonu oldukça önemlidir. Yaptığımız bu çalışmanın amacı bu alanda yapılacak çalışmalara yol gösterici olması açısından güneş pilinin verimine etki eden parametreleri bir arada inceledik.

Abstract:
Photovoltaic systems with low production budgets are systems that convert the light collected from the sun to direct-current, DC, without using any intermediate materials. Considering the cost and importance of obtaining energy, it is a useful method to get electricity from solar energy which is one of the renewable energy sources.
The solar cell is a photovoltaic system. For the efficiency of photovoltaic systems, in general, it is necessary to work on the efficiency of the solar cell. In this study we work theoretically which is complementary to the experimental work and admits better intending in terms of time and cost. With the analytical equations obtained from the theoretical study, the expression based on the current and voltage produced by the light falling on the solar cell examined. In this work, generated mathematical expressions allow us to effort on the dependence of the current, of the voltage and of the power values that we will get from the solar cell on external variable parameters. The external variables are those that affect the efficiency of the solar cell.
The current voltage and power voltage graphs of the solar cell are analyzed regard as the function of intensity of incident light, effect of temperature and doping-concentration values. In study, other than these parameters were kept in constant. Here, the analysis was made with Matlab and Mathematica like simulation program. Using these graphs, the occupancy factor and quantum efficiency values in a solar cell were calculated. So, it was observed that the magnitude of the short-circuit current and the open-gate voltage on the solar cell increased with increasing luminous flux. In this case, we have seen that the power value and efficiency obtained at the output of the solar cell increase. This showed us that photovoltaic systems will work more efficiently with the falling light and light-quality. The results were found good consistent with previous studies. 
The change in the temperature value which is an important parameter affecting the efficiency of the solar cells were investigated thru graphs of the current-voltage and power-voltage. 
As a result, there was a significant decrease in open-gate voltage compared to a small increase in short-circuit current when we only increased the temperature value while keeping other parameters constant affected efficiency.
It can be said that the efficiency of photovoltaic systems decreases in regions where the temperature is high. This circumstance was found to be consistent with previous studies. We examined the graphs IV and PV generated with altering electron-hole concentration parameters. As a result of the circumstance, it was seen that the results obtained with doping, electron-hole concentration, correspond with the literature data.