Güneş pili

Güneş pili, Güneş Hücresi, Güneş Gözesi veya fotovoltaik hücre, fiziksel ve kimyasal bir fenomen olan fotovoltaik etki ile ışığın enerjisini doğrudan elektriğe dönüştüren elektrikli bir araçtır. Akım, voltaj veya direnç gibi elektriksel özellikleri ışığa maruz kaldığında değişen bir araç olarak tanımlanabilen bir fotoelektrik hücre formudur. Güneş hücreleri, genellikle halk arasında güneş panelleri ya da modülleri olarak bilinen fotovoltaik cihazların elektriksel yapı taşlarıdır. Genel olarak tek bağlantılı (single junction) silisyum güneş hücresi, yaklaşık 0,5 ila 0,7 voltluk bir maksimum açık devre gerilimi üretebilir.
Güneş hücreleri, kaynağın güneş ışığı veya yapay ışık olmasına bakılmaksızın fotovoltaik olarak tanımlanır. Enerji üretmeye ek olarak, bir fotodetektör (örneğin kızılötesi dedektörler ) olarak, görünür aralığa yakın ışığı veya diğer elektromanyetik radyasyonu algılamak veya ışık yoğunluğunu ölçmek için kullanılabilirler.
Bir fotovoltaik (FV) hücrenin çalışması üç temel özellik gerektirir:
Elektron deliği çiftleri veya eksitonlar üreten ışığın soğurulması.
Karşıt tipteki yük taşıyıcıların ayrılması.
Bu taşıyıcıların harici bir devreye ayrı ayrı çıkarılması.
Güneş hücrelerinin aksine, bir güneş termal güneş kollektörü, doğrudan ısıtma amaçlı kullanılan veya ısıdan dolaylı olarak elektrisel üretimi sağlayan bir sistemi tanımlar. Öte yandan bir "fotoelektrolitik hücre" ( fotoelektrokimyasal hücre ) ya genel olarak akla ilk gelen fotovoltaik hücreyi (Edmond Becquerel tarafından geliştirilenler gibi veya modern boyaya duyarlı güneş hücreleri gibi) ya da sadece güneş ışığı kullanarak suyu doğrudan hidrojen ve oksijene ayıran bir aracı malzemeyi refere eder.
Güneş pili veya güneş hücresi, ışığı doğrudan elektrik akımına dönüştüren (fotovoltaik) bir araçtır. Yarı iletken bir diyot olarak çalışan güneş hücresi, güneş ışığının taşıdığı enerjiyi iç fotoelektrik reaksiyondan faydalanarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür.
Türkiye Cumhuriyetinde 5346 No. lu kanunun kabulunden sonra yenilenebilir enerjiler daha çok önem kazanmıştır. Belgeli yenilenebilir enerji üreticilere satış garantisi veren bu kanunun benzerleri, çeşitli Avrupa Birliği ülkelerinde de uygulanmaktadır.
Güneş enerjisi kullanımının önemi her geçen yıl biraz daha artmaktadır. Yirminci yüzyılda, dünya nüfusu 4 kat artarken enerji talebi 16 kat artmıştır. Günümüzde 6,5 milyar insanın şu anki yaşam tarzını sürdürebilmesi için gerekli olan enerji miktarı, yaklaşık olarak 13 terawatt (TW) tır. Yapılan ileriye dönük projeksiyonlara göre 2050 yılına gelindiğinde, insanoğlunun enerji talebi günümüze nazaran 10 terawatt daha fazla olacaktır. Bu ise şu anlama gelir; eğer küresel ısınmaya sebep olmaksızın enerji elde edilmek istenirse, 2050'ye kadar her gün 1 gigawatt'lık nükleer enerji santrali kurmak gerekecektir. Dünya üzerindeki toplam rüzgar enerjisi potansiyeli 2-4 TW civarında, hidroelektrik enerji kaynağı 0,5TW, jeotermal enerji kaynağı 12TW, gelgit ve okyanus akıntılarından üretilebilecek enerji miktarı 2TW ve dünya üzerinde kullanılabilecek güneş enerjisi miktarı ise 120.000 TW dır.
Bu veriler, güneş enerjisi kullanımının önemini somut bir şekilde ortaya koymaktadır.
Günümüzde bu hususta, bilimsel olarak yapılan çalışmalar, inorganik ve organik bazlı olmak üzere ikiye ayrılmış durumdadır. Silikon içerikli olan güneş pilleri inorganik, organik menşeili güneş pilleri ise organik güneş pilleri olarak adlandırılır. Organik güneş pilleri üzerinde çalışılıyor olmasının sebebi, maliyet olarak daha ucuz olmaları ve kolay uygulanabiliyor olmalarıdır. Bu son derece çekici iki özelliğe rağmen günümüzde organik güneş pillerinde, uygulama aşamasına geçilememiştir. bunun sebebi hava ile kolayca oksitleniyor olması ve güneş ışığını enerjiye dönüştürme yüzdesinin (~%11), silikon bazlı güneş pillerine kıyasla çok daha düşük olmasıdır.
Uygulamalar
Güneş hücreleri, güneş ışığından elektrik enerjisi üreten güneş modülleri / panelleri yapmak için hammadde olarak kullanılır. Bir güneş paneli, güneş enerjisini kullanarak güneş enerjisi üretir.
Hücreler, Modüller, Paneller ve Sistemler
Tamamı tek bir düzlemde yönlendirilmiş entegre bir gruptaki birden çok seri ya da paralel bağlı güneş hücresi, bir güneş fotovoltaik güneş paneli veya modülü oluşturur. Fotovoltaik güneş panelleri genellikle güneşe bakan tarafta bir cam tabakaya sahiptir ve bu cam sayesinde yarıiletken güneş hücreleri korunurken saydamlık sayesinde ışığın geçmesi sağlanır. Güneş hücreleri genellikle ek voltaj oluşturacak şekilde seri bağlanır. Hücrelerin paralel bağlanması ise daha yüksek bir akım sağlar.
Bununla birlikte, paralel bağlı hücrelerde oluşacak gölgelenme gibi sorunlar, daha zayıf (daha az aydınlatılmış) paralel dizgiyi (bir dizi bağlı hücre) kapatarak önemli güç kaybına neden olur ve panelin aydınlık tarafındaki hücrelerden kaynaklı ters bias nedeniyle zarar görmesine neden olabilir.
Modüller, bağımsız MPPT'ler (maksimum güç noktası izleyicileri) kullanılarak veya kullanılmadan yapılabilen, istenen pik DC voltajı ve yükleme akımı kapasitesine sahip bir dizi oluşturmak için veya her bir modüle özgü, modül seviyesinde güç elektroniği (MLPE) birimleri olan veya olmayan mikro çeviriciler veya DC-DC optimize edicilerle birbirine bağlanabilirler. Şönt diyotlar ise, dizilerde gölgelemeden kaynaklı seri/paralel bağlı hücrelerde oluşacak güç kaybını azaltabilir.
Tarih
Fotovoltaik etki ilk olarak Fransız fizikçi Edmond Becquerel tarafından deneysel olarak gösterildi. 1839'da, 19 yaşındayken, babasının laboratuvarında dünyanın ilk fotovoltaik hücresini inşa etti. Willoughby Smith, Nature'ın 20 Şubat 1873 sayısında ilk olarak "Elektrik Akımının geçişi sırasında Işığın Selenyum Üzerindeki Etkisi" ni tanımladı. 1883'te Charles Fritts, yarı iletken selenyumun bağlantılarını oluşturmak için ince bir altın tabakasıyla kaplanmasıyla ilk katı hal fotovoltaik hücresini imal etti; cihaz yalnızca yaklaşık % 1 verimliydi. Güneş Hücresi tarihçesinin diğer kilometre taşları şunları içermektedir:
1888 - Rus fizikçi Aleksandr Stoletov, Heinrich Hertz tarafından 1887'de keşfedilen dış fotoelektrik etkiye dayanarak ilk hücreyi imal etti
1905 - Albert Einstein, yeni bir kuantum ışık teorisi önerdi ve fotoelektrik etkisini, 1921'de Nobel Fizik Ödülü'nü aldığı dönüm noktası niteliğindeki bir makalede anlattı.
1941 - Vadim Lashkaryov, Cu 2 O ve Ag S proto hücrelerinde p - n- bağlantılarını keşfetti.
1946 - Russell Ohl, transistöre yol açacak gelişmeler dizisi üzerinde çalışırken, modern bağlantı yarı iletken güneş hücresinin patentini aldı.
1948 - Yarıiletkenler Dünyasına Giriş Kurt Lehovec'in, hakemli dergi Physical Review'de fotovoltaik etkiyi ilk açıklayan kişi olabileceğini belirtti. Introduction to the World of Semiconductors (page 7 )
1954 - İlk pratik fotovoltaik hücre, Bell Laboratuvarlarında halka tanıtıldı. Mucitler, Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin ve Gerald Pearson'dı.
1957 - Mısırlı mühendis Mohamed M. Atalla, Bell Laboratuvarlarında termal oksidasyonla silisyum yüzey pasivasyonu sürecini geliştirdi. Yüzey pasifleştirme süreci o zamandan beri güneş hücresi verimliliği için kritik öneme sahiptir.
1958 - Güneş hücreleri, Vanguard I uydusuna eklenmesiyle önem kazandı.
Uzay uygulamaları
Uzay uygulamalarında güneş hücreleri (pilleri), 1958'de Vanguard uydusunda birincil akü güç kaynağına alternatif bir güç kaynağı olarak önemli bir uygulamada kullanılmasıyla ilk kez öne sürülmüştür. Uydu gövdesinin dışına hücre modülü eklenerek, uzay aracında veya güç sistemlerinde büyük bir değişiklik olmaksızın görev süresi uzatılabilmekteydi. 1959'da Amerika Birleşik Devletleri, uydularda ortak bir özellik haline gelecek büyük kanat şeklindeki güneş panellerine sahip Explorer 6'yı piyasaya sürdü. Bu diziler 9600 Hoffman güneş hücresinden oluşuyordu.
1960'lara gelindiğinde, güneş hücreleri, en iyi güç-ağırlık oranını sundukları için, Dünya yörüngesindeki çoğu uydu ve ve güneş sistemine bir dizi sonda için ana güç kaynağı olarak kaldı (ve hala da öyledir). Ancak, bu başarının uzay uygulamalarında mümkün olmasının nedeni, enerji güç sistemi maliyetlerinin yüksek olması, uzay teknolojisi kullanıcılarının başka güç seçeneklerine sahip olmaması ve mümkün olan en iyi hücreler için ödeme yapmaya istekli olmalarıydı. Bu nedenle; ta ki Ulusal Bilim Vakfı'nın "Ulusal İhtiyaçlara Uygulanan Araştırma" programı karasal uygulamalar için güneş hücrelerinin geliştirilmesini teşvik etmeye başlayana kadar, uzay enerjisi piyasası (özellikle NASA) güneş hücrelerinde daha yüksek verimliliklerin geliştirilmesini sağladı.
1990'ların başında, uzay güneş hücreleri için kullanılan teknoloji, karasal paneller için kullanılan silisyum teknolojisinden ayrıldı ve uzay aracı uygulamaları galyum arsenit bazlı III-V yarı iletken malzemelere geçerek, daha sonra yapılan geliştirmelerle modern III-V çok bağlantılı (multi junction) fotovoltaik hücreye dönüştü.
Son yıllarda araştırmalar hafif, esnek ve yüksek verimli güneş hücreleri tasarlama ve üretme yönünde ilerlemiştir. Karasal güneş hücresi teknolojisi genellikle mukavemet ve koruma için bir cam tabakası ile lamine edilmiş silisyum temelli fotovoltaik hücreler kullanır. Güneş hücreleri için uzay uygulamaları, hücrelerin ve dizilerin hem yüksek verimli hem de son derece hafif olmasını gerektirir. Uydularda uygulanan bazı yeni teknolojiler, güneş enerjisinin daha geniş bir spektrumunu kullanmak için değişen bant aralıklarına sahip farklı PN bağlantılarından oluşan çok bağlantılı (multi junction) fotovoltaik hücrelerdir. Ek olarak, büyük uydular, elektrik üretmek için büyük güneş panellerinin kullanılmasını gerektirir. Bu durum, uydu yörüngeye oturtulmadan önce uydunun üzerinde gittiği fırlatma aracının geometrik kısıtlamalarına uyması için güneş paneli dizilerinin katlanmasını ya da parçalara ayrılmasını gerektirir. Uydulardaki geleneksel güneş panelleri, birbiri üzerine katlanmış birkaç küçük karasal güneş panelinden oluşmaktadır. Bu küçük paneller, uydu yörüngesine yerleştirildikten sonra geniş bir panel şeklinde açılır. Gelişen teknolojiyle yeni uydularda, çok hafif olan ve çok küçük bir hacimde paketlenebilen esnek, yuvarlanabilir güneş panelleri kullanılması hedeflenmektedir. Bu esnek dizilerin daha küçük boyutu ve ağırlığı, bir fırlatma aracının yük ağırlığı ile fırlatma maliyeti arasındaki doğrudan ilişki nedeniyle bir uydunun fırlatılmasının toplam maliyetini önemli ölçüde azaltır.
Fiyat Düşüşleri
Teknolojik iyileştirmeler 1960'lardan itibaren kademeli olarak gerçekleşti. Maliyetlerin yüksek kalmasının nedeni de tam olarak buydu, çünkü uzay yatırımcıları mümkün olan en iyi hücreler için ödeme yapmaya istekliydi ve daha düşük maliyetli, daha az verimli çözümlere yatırım yapmak için hiçbir gerekçeleri yoktu. Fiyatlar, büyük ölçüde yarı iletken endüstrisi tarafından belirlenmiş olup; 1960'larda endüstrinin entegre devrelere geçişiyle birlikte, görece daha düşük fiyatlarla daha büyük yarı iletken külçelerin (ingot) kullanılmasının önü açılmıştır. İngot üretim fiyatları düştükçe, ortaya çıkan hücrelerin fiyatı da düştü. Bu durum, 1971 yılında hücre maliyetlerini watt başına 100 dolar seviyelerine kadar düşürdü.
1969'un sonlarında, Elliot Berman isimli girişimci ve yönetici gelecek 30 yıl boyunca projeler arayan ünlü petrol ve enerji şirketi Exxon 'un ekibine katıldı ve OPEC petrol krizinin ardından Nisan 1973'te, o sırada Exxon'un yüzde yüz iştiraki olan Solar Power Corporation'ı (SPC) kurdu. Bu firma ve ekibi, elektrik fiyatlarının 2000 yılına kadar çok daha pahalı olacağı sonucuna vardı ve bu fiyat artışının alternatif enerji kaynaklarını daha çekici hale getireceğini düşündü. Buna istinaden bir pazar araştırması yaptı ve watt başına yaklaşık 20$ / watt'lık bir fiyatın önemli bir talep yaratacağı sonucuna vardı.
Ekip, rough-sawn tekniğiyle işlenen wafer yüzeyine dayanarak waferleri parlatma ve yansıma önleyici (Anti-reflektif) bir katmanla kaplama adımlarını ortadan kaldırdı. Ayrıca, uzay uygulamalarında kullanılan pahalı malzemeleri ve elle yapılan kablolamaları, arkada bir baskılı devre kartı, ön tarafta akrilik plastik ve hücreler arasında silikon yapıştırıcı kullanarak değiştirdi. Güneş panelleri, elektronik pazarından çıkarılan malzemeler kullanılarak yapılabilir hale gelmişti. SPC firması tanıtımını yaptığı bu yeni ürünle, deniz seyrüsefer uygulamaları üreticisi Tideland Signal firmasını sahil güvenliği için kullanılan seyir şamandıralarına güç sağlamak için panellerini kullanmaya ikna etti.
Araştırma ve Endüstriyel Üretim
Karasal uygulamalar için güneş enerjisi araştırmaları, ABD Ulusal Bilim Vakfı'nın Gelişmiş Güneş Enerjisi Araştırma ve Geliştirme Bölümü tarafından 1969'dan 1977'ye kadar süren "Ulusal İhtiyaçlara Uygulanan Araştırma" programı ile öne çıkmış ve karasal elektriksel güç üretimine yönelik güneş enerjisi geliştirmeye yönelik araştırmaları finanse etmiştir. 1973 tarihli "Cherry Hill Konferansı", bu hedefe ulaşmak için gerekli teknoloji hedeflerini ortaya koydu ve bu hedeflere ulaşmak için iddialı bir projenin ana hatlarını çizerek, onlarca yıldır devam edecek olan uygulamalı bir araştırma programını başlattı. Program daha sonra ABD Enerji Bakanlığıyla birleşecek olan Enerji Araştırma ve Geliştirme İdaresi (ERDA) tarafından devralındı.
1973 petrol krizinin ardından, petrol şirketleri yüksek karlarını güneş enerjisi şirketlerini kurmak (veya satın almak) için kullandılar ve o dönemden sonra onlarca yıl en büyük üreticiler olarak kaldılar. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (daha sonra BP tarafından satın almıştır) ve Mobil gibi firmaların tamamı 1970'ler ve 1980'lerde büyük güneş enerjisi departmanlarına sahipti. Daha sonra bu isimler arasına General Electric, Motorola, IBM, Tyco ve RCA gibi teknoloji şirketleri de katıldı.
Azalan maliyetler ve Eksponansiyel Büyüme
Enflasyona göre hesaplandığında, 1970'lerin ortalarında bir güneş paneli (modülü) için watt başına fiyat 96 dolar olarak belirlenmiştir.. Bloomberg New Energy Finance verilerine göre, süreç iyileştirmeleri ve üretimdeki çok büyük artış, bu rakamı 2016 yılında % 99 düşerek watt başına 68 sente getirmiştir. Moore Yasasına benzer bir gözlem olan Swanson yasası güneş endüstrisi hacmi iki katına çıktığında güneş hücresi fiyatlarının % 20 düştüğünü göstermektedir. Bu gözlem tekniği 2012'nin sonlarında haftalık yayın The Economist'te bir makalede yer almıştır.
Daha ileri iyileştirmeler, üretim maliyetini watt başına 1 doların altına düşürmüş ve toptan satış maliyetleri 2 doların çok altında kalmaya başlamıştır.
Yarı iletken endüstrisi giderek büyüyen ingotlara geçtikçe, eski ekipman ucuz hale gelmeye başlamıştır. Ekipman fazlası piyasada bulunur hale geldikçe hücre boyutları büyümüştür; örneğin daha sonra BP tarafından satın alınacak ARCO Solar'ın orijinal panelleri, 2 ila 4 inç (50 ila 100 mm) çapında hücreler kullanmıştır. 1990'larda ve 2000'lerin başında panellerde genellikle 125 mm ebatlarında hücreler mevcutken; 2008'den sonra neredeyse tüm yeni paneller 156 mm ebatlarında hücre kullanmaya geçmiştir. 1990'ların sonlarında ve 2000'lerin başlarında düz ekran televizyonların piyasaya girmesiyle, panelleri kaplamak için geniş, yüksek kaliteli cam levhaların yaygın olarak bulunmasına yol açmış ve daha büyük güneş paneli boyutları elde edilmeye başlanmıştır.
1990'larda polisilikon ("polisilisyum") hücreler giderek daha popüler hale geldi. Bu hücre tipi, monosilisyum ("mono") muadillerine göre daha az verimlilik sunmaktaydı, buna karşın maliyeti düşüren büyük kazanlarda kristal büyütmesi gerçekleşmekteydi. 2000'lerin ortalarına gelindiğinde, düşük maliyetli panel pazarında poli hücre tipi baskındı, ancak son zamanlarda mono hücre tipi yaygın kullanıma geri dönmüştür.
Wafer bazlı hücre üreticileri, 20042008 yıllarında yüksek silisyum fiyatlarına silisyum tüketimindeki hızlı düşüşlerle yanıt verdiler. IMEC'in organik hücre ve güneş hücresi enerjisi departmanı müdürü Jef Poortmans'a göre, 2008'de mevcut hücreler beher watt elektrik üretimi başına 8-9 gram (0,28-0,32 oz), kalınlığı 200 mikron civarında silisyum kullanmaktaydı. Kristal silisyum paneller dünya çapındaki pazarlara hakimdir ve çoğunlukla Çin ve Tayvan'da üretilmektedir. 2011'in sonlarına doğru, Avrupa talebindeki bir düşüş, kristal güneş panellerinin fiyatlarını 2010'a göre keskin bir şekilde watt başına 1,09$ civarına düşürdü. Fiyatlar 2012'de düşmeye devam ederek 2012 4. çeyrekte 0,62 $ /watt'a ulaştı.
Fotovoltaik (FV) Güneş Elektriği, Asya'da en hızlı büyüyor ve şu anda dünya çapındaki dağıtımın önemli bir kısmını Çin oluşturmaktadır. Yenilenebilir enerjide lokomotif görevi görmeye başlayan Fovotoltaik Güneş Elektriği (Solar) ile ilgili Becquerel Enstitüsü ve Uluslararası Enerji Ajansının yayınlamış olduğu verilere göre 2019 yılı sonu global Fotovoltaik Solar Kapasitesi 627 Gigawatttır. Bunun 115GWlık kısmı 2019 yılında eklenmiştir ve her yıl artmaya devam etmektedir.
Aslında, silisyum güneş hücrelerinin emre amade enerjisinin dolar cinsinden maliyetleri, 2004 yılından bu yana petrol karşılığını geçti. FV'den elde edilen elektriğin, tüm Avrupa'da toptan elektrik maliyetleri ile rekabetçi olacağı ve kristal silisyum güneş panellerinin enerji geri ödeme süresinin 2020 yılına kadar 0,5 yılın altına indirilebileceği tahmin ediliyor.
Sübvansiyonlar ve Şebeke Paritesi
Güneş enerjisine özel destek tarifeleri ülkeye göre ve ülke içinde bölgelere göre değişebilir. Bu tür tarifeler, güneş enerjisi projelerinin geliştirilmesini teşvik etmektedir. Genel olarak şebeke paritesi sübvansiyonsuz fotovoltaik elektriğin elektrik şebekesinden gelen yaygın kullanım elektrik fiyatına eşit veya daha ucuz olduğu nokta olarak tanımlanmaktadır. Güneş enerjisinin savunucuları, önce Kaliforniya ve Japonya gibi bol güneş ve yüksek elektrik maliyetleri olan bölgelerde şebeke paritesine ulaşmayı umuyorlardı. BP 2007'de Hawaii ve elektrik üretmek için dizel yakıt kullanan diğer ada yerleşimleri için şebeke paritesi oluştuğunu iddia etti. George W. Bush 2015'i ABD'deki şebeke paritesi tarihi olarak belirledi. Fotovoltaik Derneği, 2012'de Avustralya'nın şebeke paritesine ulaştığını bildirdi ( Tarife desteklerini göz ardı ederek).
Güneş panellerinin fiyatı 40 yıl boyunca istikrarlı bir şekilde düşmesine rağmen, 2004 yılında Almanya'daki yüksek sübvansiyonların talebi önemli ölçüde artırması ve saflaştırılmış silisyumun (güneş panellerinin yanı sıra bilgisayar çiplerinde kullanılması nedeniyle) fiyatının büyük ölçüde artması nedeniyle, bu fiyat düşüşü kesintiye uğradı. Özellikle batıyı etkisi altına alan 2008'deki durgunluk ve Çin'de silisyum imalatının başlaması, fiyatların tekrar düşüşe geçmesine yol açmıştır. Ocak 2008'den sonraki dört yıl içinde Almanya'da güneş enerjisi panel fiyatları watt pik başına 3 'dan 1 ' ya seviyelerine inmiştir. Aynı dönemde, küresel anlamda üretim kapasitesi yıllık % 50'nin üzerinde bir büyüme yaşamıştır. Bu esnada Çin, pazar payını 2008'de % 8'den 2010'un son çeyreğinde % 55'in üzerine çıkardı. Aralık 2012'de Çin güneş panellerinin fiyatı 0,60 $ / Wp'ye (kristal modüller) düşmüştür. (Wp kısaltması, watt pik kapasitesi veya optimum koşullar altında maksimum kapasite anlamına gelir. )
2016 sonu itibarıyla, monte edilmiş güneş panelleri (hücre kastedilmiyor) için spot fiyatların 0,36USD/ Wp gibi rekor düşük bir seviyeye düştüğü bildirilmiştir. O dönem en büyük ikinci tedarikçi olan Canadian Solar Inc., 2016'nın üçüncü çeyreğinde 0,37 ABD Doları/Wp maliyet bildirmiş, fiyatı önceki çeyreğe göre 0,02 ABD Doları düşmüştü. O dönem birçok üretici, maliyetlerin 2017'nin sonunda 0,30 ABD doları civarına düşeceğini tahmin ediyordu. Ayrıca, dünyanın bazı bölgelerinde yeni güneş enerjisi kurulumlarının kömüre dayalı termik santrallerden daha ucuz olduğu ve on yıl içinde dünyanın büyük bir kısmında durumun böyle olmasının beklendiği bildirildi.
Teori
Güneş hücresi birkaç adımda çalışır:
Güneş ışığında var olan fotonlar güneş paneline çarpar ve safsızlaştırma katkı maddeleriyle dopinglenmiş silisyum gibi yarı iletken malzemeler tarafından emilir.
Elektronlar, mevcut moleküler / atomik yörüngelerinde uyarılır. Bir elektron uyarıldığında, enerjiyi ısı olarak dağıtabilir ve yörüngesine geri dönebilir veya bir elektrota ulaşana kadar hücre içinde hareket edebilir. Akım, potansiyeli iptal etmek için malzemeden geçer ve bu elektrik yakalanır. Bu işlemin gerçekleşmesi için malzemenin kimyasal bağları hayati öneme sahiptir ve genellikle silisyum iki kat halinde kullanılır; bir katman borla, diğeri fosforla katkılıdır (dopinglenmiştir). Bu katmanlar farklı kimyasal elektrik yüklerine sahiptir ve daha sonra elektronların akımını hem sürdürür hem de yönlendirir.
Modüler halde bir dizi güneş hücresi, güneş enerjisini kullanılabilir miktarda doğru akım (DC) elektriğine dönüştürür.
Bir invertör, gücü alternatif akıma (AC) dönüştürebilir.
En yaygın olarak bilinen güneş hücreleri, silisyumdan yapılmış geniş alanlı bir p n bağlantısı olarak yapılandırılmıştır. Diğer güneş hücresi türleri, organik güneş hücreleri, boyaya duyarlı güneş hücreleri, perovskite güneş hücreleri, kuantum nokta güneş hücreleri vb. olarak sayılabilir. Bir güneş hücresinin aydınlatılmış tarafı genellikle ışığın aktif malzemeye girmesine izin vermek ve üretilen yük taşıyıcıları toplamak için şeffaf bir iletken filme sahiptir. Tipik olarak, indiyum kalay oksit, iletken polimerler veya iletken nanotel ağları gibi yüksek geçirgenliğe ve yüksek elektrik iletkenliğine sahip filmler bu amaçla kullanılır.
Verimlilik
Güneş hücresi verimliliği, yansıtma verimliliği, termodinamik verimlilik, yük taşıyıcı ayırma verimliliği ve iletken verimliliği olarak ayrılabilir. Genel verimlilik, bu bağımsız ölçümlerin ürünüdür.
Bir güneş hücresinin enerji dönüşüm verimliliği, elektriğe dönüştürülen giriş gücünün oranıyla tanımlanan bir parametredir.
Bir güneş hücresinin gerilime (voltaja) bağlı bir verimlilik eğrisi, sıcaklık katsayıları ve izin verilen gölge açıları vardır.
Bu parametrelerin doğrudan ölçülmesindeki zorluk nedeniyle, diğer parametreler ikame edilir: termodinamik verimlilik, kuantum verimliliği, entegre kuantum verimliliği, V OC oranı ve doldurma faktörü (Fill Factor). Yansıtma kayıpları, "harici kuantum verimliliği " altında kuantum verimliliğinin bir kısmıdır. Rekombinasyon kayıpları, kuantum verimliliğinin, V OC oranının ve doldurma faktörünün başka bir bölümünü oluşturur. Dirençli kayıplar ağırlıklı olarak doldurma faktörü altında kategorize edilir, ancak aynı zamanda kuantum verimliliğinin, açık devre gerilimi (VOC) oranının küçük kısımlarını da oluşturur.
Doldurma faktörü, gerçek maksimum elde edilebilir gücün (Pmpp) açık devre voltajı ve kısa devre akımının çarpımına oranıdır. Bu oran, performansın değerlendirilmesinde önemli bir parametredir. 2009 yılında, tipik ticari güneş hücrelerinin doldurma faktörü> 0.70 idi. B sınıfı hücrelerin faktörü genellikle 0,4 ile 0,7 arasındaydı. Yüksek doldurma faktörüne sahip hücreler, düşük eşdeğer seri dirence ve yüksek eşdeğer şönt direncine sahiptir, bu nedenle hücre tarafından üretilen akımın daha azı dahili kayıplarda dağıtılır.
Tek p n bağlantılı (single junction) kristal silisyum paneller 1961'de Shockley Queisser Limiti olarak belirtilen ve teorik olarak % 33.16'lık sınırlayıcı güç verimliliğine yaklaşmaktadır En uç noktada sonsuz sayıda katmanla, buna karşılık gelen sınır, konsantre güneş ışığı kullanıldığında% 86'dır.
2014 yılında üç şirket, bir silisyum güneş hücresi için elden edilen % 25,6 oranında verimlilik rekorunu kırdı. Panasonic bunların içerisinde en verimli olanıydı. Şirket, gölgeli alanları ortadan kaldırarak ön temas iletkenlerini panelin arkasına taşıdı. Ayrıca, (yüksek kaliteli silisyum) wafer yüzeyindeki veya yakınındaki kusurları ortadan kaldırmak için (yüksek kaliteli silisyum) wafer önüne ve arkasına ince silisyum filmler uyguladılar.
2015 yılında, Fraunhofer Güneş Enerjisi Sistemleri Enstitüsü (Fraunhofer ISE), CEA-LETI ve SOITEC arasındaki bir Fransız-Alman işbirliğinde üretilen 4 bağlantılı (Multi-Junction) GaInP / GaAs // GaInAsP / GaInAs güneş hücresi, % 46,1'lik (güneş ışığının konsantrasyon oranı = 312) yeni bir laboratuvar rekor verimliliği elde etti.
Eylül 2015'te Fraunhofer ISE, epitaksiyel wafer hücreleri için% 20'nin üzerinde bir verimlilik elde ettiğini duyurdu. Atmosferik basınçta kimyasal buhar biriktirme (APCVD) hat içi üretim zincirini optimize etme çalışması, üretimi ticarileştirmek için Fraunhofer ISE'den ayrılan bir şirket olan NexWafe GmbH ile işbirliği içinde yapıldı.
Üç bağlantılı (triple-junction) ince film güneş hücreleri için dünya rekoru Haziran 2015'te % 13,6 olarak belirlendi.
2016 yılında, Fraunhofer ISE'deki araştırmacılar, konsantrasyon olmadan % 30,2 verimliliğe ulaşan iki terminalli, üç bağlantılı (triple junction) GaInP / GaAs / Si alaşımlı güneş hücresi duyurdu.
2017 yılında, Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL), EPFL ve CSEM'deki ( İsviçre ) kuruluşlarına ait bir araştırma ekibi, çift bağlantılı (dual-junction) GaInP / GaAs güneş hücresi için % 32,8'lik rekor güneş verimliliği bildirdi. Ek olarak üç bağlantılı (triple junction) güneş hücreleri rekoru için; çift bağlantılı (dual-junction) bu hücre % 35,9'luk güneş verimliliği elde etmek için bir silisyum güneş hücresi ile mekanik olarak üst üste bindirildi.
Malzemeler
Güneş hücreleri, tipik olarak yapıldıkları yarı iletken malzemeden isim alır. Bu malzemelerin güneş ışığını absorbe edebilmesi için belirli özelliklere sahip olması gerekir. Bazı hücreler, Dünya yüzeyine ulaşan güneş ışığını işleyecek şekilde tasarlanırken, diğerleri uzayda kullanım için optimize edilmiştir. Güneş hücreleri, yalnızca tek bir ışık emici malzeme katmanından ( tek bağlantı ) yapılabilir veya çeşitli absorpsiyon ve yük ayırma mekanizmalarından yararlanmak için birden çok fiziksel konfigürasyon ( çoklu bağlantı /Multi-Junction) kullanabilir.
Güneş hücreleri birinci, ikinci ve üçüncü nesil hücreler olarak sınıflandırılabilir.
Birinci nesil hücreler (aynı zamanda geleneksel veya wafer tabanlı hücreler olarak da adlandırılır) polisilisyum ve monokristal silisyum gibi malzemeleri içeren, ticari olarak en yaygın ve baskın fotovoltaik (FV) teknolojisi olan, kristal silisyumdan yapılmıştır.
İkinci nesil güneş hücreleri, amorf silisyum, CdTe ve CIGS hücrelerini içeren ve kamu hizmeti (utility-scale)ölçeğindeki fotovoltaik güç santrallerinde, binaya entegre (BIPV) fotovoltaik sistem yapımında veya küçük şebekeden bağımsız fotovoltaik güç sisteminde ticari olarak önemli olan ince film güneş hücreleridir.
Üçüncü nesil güneş hücreleri, genellikle yeni ortaya çıkan fotovoltaikler olarak tanımlanan bir dizi ince film teknolojisini içerir - bunların çoğu henüz ticari olarak uygulanmamıştır ve hala araştırma veya geliştirme aşamasındadır. Birçoğu organik malzemeler, genellikle organometalik bileşikler ve inorganik maddeler kullanır. Verimliliklerinin düşük olmasına ve emici malzemenin stabilitesinin ticari uygulamalar için genellikle çok kısa olmasına rağmen, düşük maliyetli, yüksek verimli güneş hücresi üretme hedefine ulaşmayı vadettikleri için bu teknolojilere yönelik çok fazla araştırma yapılmaktadır.
Kristal Silisyum
Şimdiye kadar, güneş hücreleri için en yaygın kitle malzeme, aynı zamanda "güneş sınıfı silisyum " olarak da bilinen kristalin silisyumdur (c-Si). Silisyum, kristalleşme düzeyi ve kristal boyutuna göre birden çok kategoriye ayrılır. Bu hücreler tümüyle p n bağlantı kavramı temelinde şekillenmiştir. C-Si'den yapılan güneş hücreler, 160-240 mikrometre kalınlığı arası yonga plaka(wafer)'lardan yapılır.
Monokristal Silisyum
Monokristal silisyum (mono-Si) güneş hücreleri elektronların çok (poli) kristalli bir konfigürasyonda olduğundan daha serbestçe hareket etmesini sağlayan tek kristalli bir bileşime sahiptir. Sonuç olarak, monokristal güneş panelleri, çok kristalli emsallerinden daha yüksek bir verimlilik sağlar. Hücrelerin köşeleri bir sekizgen gibi kırpılmış görünür, çünkü yonga plakası (wafer) malzemesi tipik olarak Czochralski Yöntemiyle büyütülen silindirik külçelerden (ingot) kesilmektedir. Mono-Si hücreleri kullanan güneş panelleri, küçük beyaz elmaslardan oluşan ayırt edici bir desen sergiler.
Epitaksiyel Silisyum Gelişimi
Epitaksiyel kristal silisyum yonga plakası (wafer), bir monokristal silisyum "tohum" yonga plakasında (wafer) kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile büyütülebilir ve daha sonra, elle manipüle edilebilen ve doğrudan monokristal silisyum külçelerden kesilmiş yonga plakası (wafer) hücrelerinin yerine geçebilen bazı standart kalınlıklarda (örneğin 250 um) kendinden destekli yonga plakaları (wafer) olarak ayrılır. Bu "çentiksiz" teknikle yapılan güneş hücreleri, ancak kimyasal buhar biriktirme (CVD) işlemi yüksek verimli hat içi işlemde atmosferik basınçta yapılabilirse, önemli ölçüde daha düşük maliyetle yapılabililr ve yonga plakalı(wafer) standart hücrelerinkine yaklaşan verimliliklere sahip olabilir. Epitaksiyel yonga plakaların (wafer) yüzeyi, ışık emilimini artırmak için dokulu olabilir.
Haziran 2015'te, n-tipi monokristal silisyum wafer üzerinde epitaksiyel olarak büyütülen hetero-farklı cins- bağlantılı (heterojunction) güneş hücrelerinin toplam 243,4 cm hücre alanı üzerinde % 22,5'lik bir verime ulaştığı bildirildi.
Polikristal Silisyum
Polikristal silisyum veya çok kristalli silisyum (çoklu-Si/multi-Si) hücreler, döküm kare külçelerden yapılır - büyük erimiş silisyum blokları dikkatlice soğutulur ve katılaştırılır. Malzemeye tipik metal pul etkisini veren küçük kristallerden oluşurlar. Polisilisyum hücreler, bir döneme kadar fotovoltaikte kullanılan en yaygın türdü ve daha ucuzdu, ancak monokristal silisyum hücrelerden daha az verimlidir. Monokristal silisyum hücre üretiminde döküm teknolojilerinin gelişmesiyle daha az tercih edilir hale gelmiştir.
Şerit Silisyum
Şerit silisyum, bir tür polikristal silisyumdur - erimiş silisyumdan düz ince filmlerin çekilmesiyle oluşturulur ve polikristal bir yapı ile sonuçlanır. Silisyum atığındaki büyük azalma nedeniyle bu hücrelerin yapımı Polikristal Silisyumdan daha ucuzdur, çünkü bu yöntem külçelerden kesmeyi gerektirmez. Ancak, aynı zamanda daha az verimlidirler. Süreç 1970'lerde Mobil-Tyco, Solar Energy Corp., Energy Materials, Corp., Motorola ve IBM tarafından geliştirilmiştir.
Mono Benzeri Çoklu Silisyum (MLM)
Bu form 2000'lerde geliştirilmiş ve 2009 civarında ticari olarak tanıtılmıştır. Döküm mono olarak da adlandırılan bu tasarım, küçük mono malzeme "çekirdeklerine" sahip polikristal döküm kalıpları kullanır. Sonuç, dış tarafların etrafında polikristal olan dökme, monokristal benzeri bir malzemedir. Proses için dilimlendiğinde, iç bölümler yüksek verimli mono benzeri hücrelerdir (ancak "kırpılmış" yerine kare şeklindedir), dış kenarlar ise geleneksel "poli" olarak kalır. Bu üretim yöntemi ile poli benzeri fiyatlarla mono benzeri hücrelerin üretimi sağlanır.
İnce Film
Amorf silisyum: Kristal yapılı olmayan bu Si pillerinden alınan verim %10 dolayında ticari modüllerde ise %5-7 mertebesindedir. Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneş pilinin bir başka önemli uygulama sahasının binalara bütünleşik yarısaydam cam yüzeyler olarak bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin edilmektedir.
Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çok kristalli malzeme olan CdTe ile güneş pili maliyetinin çok azalacağı tahmin edilmektedir. Laboratuvar tipi küçük hücrelerde %16 ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir.
Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çok kristalli pilde laboratuvar şartlarında %17,7 ve enerji üretimi için geliştirilmiş prototip bir modülde ise %10,2 verim alınmıştır.
Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10-500 kat yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17nin pil verimi ise %30un üzerine çıkabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden yapılır.
İnce film teknolojileri, bir hücredeki aktif madde miktarını azaltır. Bu tür hücrelerle imal edilen güneş panellerinde çoğu tasarım, aktif malzemeyi (hücre, eva, iletken) iki cam bölme arasında sıkıştırmaya dayalıdır. Silisyum güneş panelleri yalnızca bir cam bölmesi kullandığından, ince film paneller, daha küçük bir ekolojik etkiye sahip olmalarına rağmen ( yaşam döngüsü analizinden belirlenir), kristalin silisyum panellerden yaklaşık iki kat daha ağırdır.
Kadmiyum tellür
Kadmiyum tellür, şu ana kadar kristal silisyum panellere maliyet / watt olarak rakip olabilecek tek ince film panel malzemesidir. Ancak kadmiyum oldukça toksiktir ve tellür ( anyon : "tellurid") kaynakları sınırlıdır. Hücrelerde bulunan kadmiyum salınırsa toksik hale gelecektir. Bununla birlikte, hücrelerin normal çalışması sırasında serbest bırakılması imkansızdır ve konut çatılarındaki yangınlar sırasında da bu durum ortaya çıkmaz. Bir metrekarelik CdTe, daha kararlı ve daha az çözünür bir biçimde, tek bir C hücreli nikel-kadmiyum pil ile yaklaşık olarak aynı miktarda Cd içerir.
Bakır İndiyum Galyum Selenid
Bakır indiyum galyum selenid (CIGS) bir doğrudan bant aralığı malzemesidir. Ticari olarak önemli tüm ince film malzemeleri arasında en yüksek verime (~% 20) sahiptir (bkz. CIGS güneş hücresi ). Geleneksel imalat yöntemleri, birlikte buharlaştırma ve püskürtme gibi vakum işlemlerini içerir. IBM ve Nanosolar'daki son gelişmeler vakumsuz çözüm süreçleri kullanarak maliyeti düşürmeye çalışmaktadır.
Silisyum ince film
Silisyum ince film hücreleri esas olarak silan gazı ve hidrojen gazından kimyasal buhar biriktirme (tipik olarak plazma ile güçlendirilmiş, PE-CVD) ile çökeltilir. Çökeltme parametrelerine bağlı olarak, bu amorf silisyum (a-Si veya a-Si: H), protokristal silisyum veya nanokristal silisyum (nc-Si veya nc-Si: H), aynı zamanda mikrokristal silisyum olarak da adlandırılabilir.
Amorf silisyum, bugüne kadarki en iyi geliştirilmiş ince film teknolojisidir. Amorf bir silisyum (a-Si) güneş hücresi, kristal olmayan veya mikrokristal silisyumdan yapılır. Amorf silisyum (1,7 eV) bant aralığı ile kristal silisyumdan (c-Si) (1.1 eV) daha yüksek bir bant aralığına sahiptir, yani güneş spektrumunun görünür kısmını, spektrumun yüksek güç yoğunluklu kızılötesi kısmından daha güçlü bir şekilde absorbe etmektedir. A-Si ince film güneş hücrelerinin üretimi, substrat olarak cam kullanır ve plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD) ile çok ince bir silisyum tabakası çökeltir/biriktirir.
Düşük hacimli nanokristal (Nc-Si), silisyum fraksiyonuna sahip protokristal silisyum, yüksek açık devre voltajı için idealdir. Nanokristal Silisyum (Nc-Si), Kristal Silisyum (c-Si) yaklaşık olarak aynı bant aralığına sahiptir, Nanokristal Silisyum (Nc-Si) ve Amorf silisyum( a-Si), avantajlı bir şekilde ince katmanlar halinde birleştirilerek tandem hücre adı verilen katmanlı bir hücre oluşturabilir. A-Si'de ki üst hücre, görünür ışığı absorbe eder ve nc-Si'de ki alt hücre için spektrumun kızılötesi kısmını bırakır.
Galyum Arsenit İnce Film
Yarı iletken bir malzeme olan galyum arsenit (GaAs) ayrıca tek kristalli ince film güneş hücreleri için de kullanılmaktadır. GaAs hücreleri çok pahalı olmasına rağmen, % 28,8 oranında verimle tek bağlantılı (single-junction) güneş hücresi alanında verimlilik rekorunu elinde tutmaktadır. Endüstrinin uzay tabanlı güneş enerjisi için maliyet yerine verimliliği tercih etmesi nedeniyle, konsantre fotovoltaikler (CPV, HCPV) ve uzay araçlarındaki güneş panelleri için çok bağlantılı fotovoltaik hücrelerde (multi-junction) Galyum Arsenit (GaAs) İnce Film daha yaygın olarak kullanılmaktadır.
Önceki literatüre ve bazı teorik analizlere dayanarak, GaAs'ın bu kadar yüksek güç dönüştürme verimliliğine sahip olmasının birkaç nedeni olduğu söylenebilir. İlk olarak, GaAs bant aralığı 1,43ev'dir ve bu neredeyse güneş hücreleri için en ideal aralıktır. İkincisi, Galyum diğer metallerin eritilmesinin bir yan ürünü olduğu için, GaAs hücreleri ısıya nispeten duyarsızdır ve sıcaklık oldukça yüksek olduğunda yüksek verimliliğini koruyabilir. Üçüncüsü, GaAs geniş tasarım seçeneklerine sahiptir. GaAs'ları güneş hücresinde aktif katman olarak kullanan mühendisler, GaAs'larda daha iyi elektronlar ve delikler oluşturabilen çok sayıda başka katman seçeneğine sahip olabilir.
Çok Bağlantılı Hücreler
Çok bağlantılı (Multi-junction) hücreler, tipik olarak metalorganik buhar fazı epitaksi kullanan, her biri esasen diğerinin üzerinde büyütülen (kristal büyütme) güneş hücresi olan çok sayıda ince filmden oluşur. Her katman, spektrumun farklı bir bölümü üzerinden elektromanyetik radyasyonu absorbe etmesine izin vermek için farklı bir bant aralığı enerjisine sahiptir.
Çok bağlantılı(Multi-junction)hücreler başlangıçta uydular ve uzay araştırmaları gibi özel uygulamalar için geliştirildi, ancak günümüzde güneş ışığını küçük, yüksek verimli çoklu bağlantıya yoğunlaştırmak için lensler ve kavisli aynalar kullanan yeni bir teknoloji olan karasal yoğunlaştırıcı fotovoltaiklerde (CPV) giderek daha fazla kullanılmaya başlanmıştır. Yüksek yoğunlaştırıcı fotovoltaikler (HCPV), güneş ışığını bin kata kadar yoğunlaştırarak, gelecekte geleneksel fotovoltaik güneş elektrik yöntemlerini geride bırakma potansiyeline sahiptir.
Monolitik, seri bağlı, galyum indiyum fosfit (GaInP), galyum arsenit (GaAs) ve germanyum (Ge) p-n bağlantılarına dayalı hücrelerin, maliyet baskılarına rağmen satışları artmaktadır. Örneğin galyum metalinin maliyeti kg başına 960 $ seviyelerindedir. Ek olarak, germanyum metal fiyatları bu yıl kg başına önemli ölçüde 1000-1200 $ 'a yükselmiştir. Çok bağlantılı Hücre teknolojisinde kullanılan metallar arasında galyum (4N, 6N ve 7N Ga), arsenik (4N, 6N ve 7N) ve kristaller için germanyum, pirolitik bor nitrür (pBN) potaları ve bor oksit bulunur. Bu ürünler tüm substrat imalat endüstrisi için kritik öneme sahiptir.
Örneğin bir üçlü bağlantı (triple-junction) hücresi şu yarı iletkenlerden oluşabilir: GaAs, Ge, and GaInP2 Üç bağlantılı GaAs güneş hücreleri, 2003, 2005 ve 2007'de Hollandalı dört kez World Solar Challenge kazanan Nuna'nın ve Hollandalı güneş arabaları Solutra (2005), Twente One (2007) ve 21Revolution (2009) tarafından güç kaynağı olarak kullanılmıştır. GaAs tabanlı çok bağlantılı cihazlar bugüne kadarki en verimli güneş hücreleridir. 15 Ekim 2012'de, üçlü bağlantılı metamorfik hücreler % 44'lük rekor bir yüksekliğe ulaşmıştır.
GaInP / Si Çift Bağlantılı Güneş Hücreleri
2016 yılında, III-V çok bağlantılı güneş hücrelerinin yüksek verimliliğini silisyumla ilişkili ekonomi ve deneyim zenginliği ile birleştiren hibrit fotovoltaik yonga plaka (wafer) üretimi için yeni bir yaklaşım tanımlanmıştır. Yaklaşık 30 yıllık bir çalışma konusu olan III-V malzemesinin gerekli yüksek sıcaklıklarda silisyum üzerinde büyütülmesiyle ilgili teknik komplikasyonlar, plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD) tekniği ile düşük sıcaklıkta GaAs üzerinde silisyumun epitaksiyel büyümesiyle önlenerek giderildi.
Silisyum (Si) tekli-bağlantılı (single-junction) güneş hücreleri onlarca yıldır geniş çapta incelenmektedir ve 1-sun (ölçü birimi olarak) koşullarında ~% 26 pratik verimliliklerine ulaşmaktaydı. Bu verimliliğin arttırılması, Si hücresine 1,1 eV'den daha büyük bant aralığı enerjisine sahip daha fazla hücre eklenmesini gerektirebilir, bu da ek voltaj üretimi için kısa dalga boylu fotonların dönüştürülmesine izin verir. Üst hücre olarak 1,6-1,8 eV bant aralığına sahip ikili-bağlantılı bir güneş hücresi, ısıl kayıpları azaltabilir, yüksek bir harici radyasyon verimliliği üretebilir ve % 45'in üzerinde teorik verimlilik elde edilebilir. Bir tandem hücre, GaInP ve Si hücrelerinin büyütülmesiyle üretilebilir. Bunları ayrı ayrı büyütmek, Si ile bir hücreye doğrudan entegrasyonu engelleyen en yaygın III V katmanları arasındaki % 4 kafes sabit uyumsuzluğunun üstesinden gelebilir. İki hücre bu nedenle şeffaf bir cam slayt ile ayrılır, böylece kafes uyumsuzluğu sistemde zorlanmaya neden olmaz. Bu,% 18.1'lik bir verimlilik gösteren dört elektrik kontağı ve iki bağlantıya sahip bir hücre oluşturur. % 76,2'lik bir doldurma faktörü (FF) ile Si alt hücresi, tandem cihazda% 11,7'lik (± 0,4) bir etkinliğe ulaşır ve bu da% 29,8'lik bir kümülatif tandem hücre etkinliği ile sonuçlanır. Bu verimlilik% 29.4 teorik sınırını ve bir Si 1-sun güneş hücresinin rekor deneysel verimlilik değerini aşmaktadır ve ayrıca rekor verimlilik 1-sun GaAs cihazından daha yüksektir. Bununla birlikte, bir GaAs substratı kullanmak pahalıdır ve pratik değildir. Bu nedenle araştırmacılar, bir GaAs substratına ihtiyaç duymayan iki elektriksel temas noktası ve bir bağlantı noktası olan bir hücre yapmaya çalışırlar. Bu, GaInP ve Si'nin doğrudan entegrasyonu olacağı anlamına gelir.
Güneş Hücrelerinde Araştırmalar
Perovskit güneş hücreleri, aktif katman olarak perovskit yapılı bir malzeme içeren güneş hücreleridir. En yaygın olarak bu, çözelti ile işlenmiş hibrit organik-inorganik kalay veya kurşun halojenür bazlı bir malzemedir. Verimlilikler 2009'da ilk kullanımlarında% 5'in altındayken 2020'de% 25,5'e yükseldi ve bu durum da onları çok hızlı gelişen bir teknoloji ve güneş hücresi alanında gündem maddesi haline getirdi. Perovskit güneş hücrelerini ölçeklendirmenin son derece ucuz olduğu tahmin ediliyor ve bu da onları ticarileştirme için çok çekici bir seçenek haline getirmektedir. Şimdiye kadar çoğu perovskit güneş hücresi türü, ticarileştirilmek için yeterli operasyonel kararlılığa ulaşamamış olsa da, ancak küresel ölçekte birçok araştırma grubu bunu çözmenin yollarını araştırmaya devam etmektedir. Perovskit güneş hücrelerinin ve tandem perovskitin enerji ve çevresel sürdürülebilirliğinin yapılara bağlı olduğu gösterilmiştir.
İki Yüzeyli (Bifacial) Güneş Hücreleri
Şeffaf bir arka tarafa sahip iki yüzeyli(bifacial) güneş panelleri, ışığı hem önden hem de arkadan emebilir. Bu nedenle, geleneksel tek yüzlü güneş panellerinden daha fazla elektrik üretebilirler. İki yüzeyli (bifacial) güneş hücrelerinin ilk patenti 1966'da Japon araştırmacı Hiroshi Mori tarafından yapıldı. Daha sonra, Rusya'nın 1970'lerde uzay programlarında iki yüzeyli güneş hücrelerini ilk kez kullanan ülke olduğu söyleniyor. 1976'da Madrid Teknik Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü, Prof. Antonio Luque liderliğindeki iki yüzeyli güneş hücrelerinin geliştirilmesi için bir araştırma programı başlattı. Bu program çerçevesinde 1977 ABD ve İspanyol patentlerine dayanılarak, bir anot ön yüzü ve bir katot arka yüzü olan pratik bir iki yüzeyli hücre önerildi; daha önce bildirilen öneriler ve girişimlerde her iki yüz de anodikti ve hücreler arasındaki bağlantı karmaşık ve pahalıydı. 1980 yılında, Luque'un ekibinde bir doktora öğrencisi olan Andrés Cuevas, beyaz bir arka plan sağlandığında, iki yüzeyli güneş hücrelerinin çıkış gücünde, aynı yönlendirilmiş ve eğimli tek yüzlü olanlara göre % 50'lik bir artış olduğunu deneysel olarak kanıtladı. 1981'de Isofoton şirketi, geliştirilen iki yüzeyli hücreleri üretmek için Malaga'da kuruldu ve böylece bu FV hücre teknolojisinin bu alanda ilk sanayileşmesi sağlandı. İlk üretim kapasitesi 300 kW / yıl olan iki yüzeyli güneş hücreleri ile Isofoton'un üretiminin ilk dönüm noktaları, 1986 yılında Iberdrola elektrik dağıtım firması için inşa edilen San Agustín de Guadalix'deki 20kWp enerji santrali ve 1988 yılında İspanya uluslararası yardım ve işbirliği programları tarafından finanse edilen Noto Gouye Diama köyünde (Senegal) 20kWp'lik bir şebekeden bağımsız kurulum oldu.
Üretim maliyetlerinin düşmesi nedeniyle firmalar 2010 yılından itibaren yine ticari iki yüzeyli (bifacial) güneş panelleri üretmeye başladılar. 2017'ye kadar, Kuzey Amerika'da iki yüzeyli(bifacial) paneller sağlayan en az sekiz sertifikalı fotovoltaik panel üreticisi mevcuttu. Uluslararası Fotovoltaik Teknoloji Yol Haritası (ITRPV) tarafından, iki yüzeyli(bifacial) teknolojinin küresel pazar payının 2016'da% 5'in altından 2027'de% 30'a çıkacağı tahmin edilmektedir.
İki yüzeyli(bifacial) teknolojiye olan önemli ilgi nedeniyle, yakın zamanda yapılan bir çalışmada, dünya çapında iki yüzeyli (bifacial) güneş panellerinin performansı ve optimizasyonu araştırılmıştır. Sonuçlar, dünya genelinde, araziye monte edilen iki yüzeyli modüllerin,% 25'lik bir zemin albedo katsayısı için (beton ve bitki örtüleri için tipik) tek yüzlü (monofacial) muadillerine kıyasla yıllık elektrik veriminde yalnızca ~% 10 kazanç sağlayabildiğini göstermiştir. Ancak paneller yerden 1 m yukarı kaldırılarak ve zemin albedo katsayısı% 50'ye yükseltilerek kazanç ~% 30'a yükseltilebileceği ayrıca tespit edilmiştir. Applied Energy dergisinde Sun ve ekibi tarafından yayınlanan araştırmada ayrıca iki yüzeyli güneş modüllerini analitik olarak optimize edebilen bir dizi ampirik denklem de türetilmiştir. Buna ek olarak, çift eksenli izleyicilerdeki iki yüzeyli paneller, tek yüzlü emsallerine göre yılda % 14, yoğun kış aylarında ise % 40 daha fazla elektrik ürettiği için, karlı ortamlarda iki yüzeyli panellerin geleneksel panellerden daha iyi çalıştığına dair kanıtlar mevcuttur.
Tüm dünyada rastgele herhangi bir konumda iki yüzeyli modüllerin performansını modellemek için çevrimiçi bir simülasyon aracı mevcuttur. Ayrıca bu simulasyon aracıyla iki yüzeyli modüller, eğim açısı, azimut açısı ve yerden yüksekliğin bir fonksiyonu olarak optimize edilebilmektedir.
Ara Kuşak
Güneş hücresi araştırmalarında Ara kuşak fotovoltaikleri, bir hücrenin verimliliği üzerindeki Shockley-Queisser sınırını aşmak için yöntemler sağlamaktadır. Değerlik(valans) ve iletim kuşakları [ katıların elektrik iletkenliğini belirleyen kuşaklar] arasında bir ara kuşak (IB:intermediate band) enerji seviyesi sağlar. Teorik olarak, bir IB'nin dahil edilmesi, bant aralığından daha az enerjiye sahip iki fotonun, değerlik bandından iletim bandına bir elektronu uyarmasına izin verir. Bu, indüklenen foto akımı ve dolayısıyla verimliliği arttırır.
İspanyol bilim insanları Luque ve Marti ilk olarak ayrıntılı terazi kullanarak bir orta aralıklı enerji seviyesine sahip bir ara kuşak cihazı için teorik bir sınır türetmiştir. Ara kuşakta hiçbir taşıyıcı toplanmadığını ve cihazın tam konsantrasyon altında olduğunu varsaydılar. Değerlik veya iletim kuşağından IB (Ara Kuşak) 0.71eV ile 1.95eV'lik bir bant aralığı için maksimum verimi % 63,2 olarak buldular. Tek güneş (one-sun) ışığı altında sınırlayıcı verimlilik% 47'dir.
Sıvı Mürekkepler
2014 yılında, California NanoSystems Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, güneş hücreleri için kesterit ve perovskit kullanımının elektrik enerjisi dönüştürme verimliliğini artırdığını keşfettiler.
Yükseltme Çevrimi ve Alçaltma çevrimi
Foton yükseltme çevrimi, bir yüksek enerjili foton üretmek için iki düşük enerjili (örneğin kızılötesi) fotonun kullanılması işlemidir; alçaltma çevrimi, iki düşük enerjili foton üretmek için bir yüksek enerjili foton (örneğin ultraviyole) kullanma işlemidir. Bu tekniklerden herhangi biri, güneş fotonlarının daha verimli kullanılmasına izin vererek daha yüksek verimli güneş hücreleri üretmek için kullanılabilir. Bununla birlikte zorluk, yukarı veya aşağı dönüşüm sergileyen mevcut fosforların çevrim verimliliğinin düşük olması ve tipik olarak dar bant olmasıdır.
Bir yükseltme çevrim tekniği, kızılötesi radyasyonu görünür ışığa dönüştürmek için lüminesansından yararlanarak lantanit katkılı (doplanmış) ( , veya kombinasyonları) malzemeleri dahil etmektir. Yükseltme Çevrimi işlemi, iki kızılötesi foton, (yüksek enerjili) soğurulabilen bir foton oluşturmak için nadir toprak iyonları tarafından abosrbe edildiğinde gerçekleşir. Örnek olarak, enerji aktarımı yükseltme çevrimi işlemi (ETU), yakın kızılötesinde uyarılmış iyonlar arasında birbirini izleyen aktarım işlemlerinden oluşur. Yükseltme çevrimi sağlayan malzeme, silikondan geçen kızılötesi ışığı absorbe etmek için güneş hücresinin altına yerleştirilebilir. Yararlı iyonlar en çok üç değerlikli durumda bulunur. iyonlar en çok kullanılanlardır. iyonlar 1.54 μm civarında güneş radyasyonunu absorbe eder. İki bu radyasyonu emen iyonlar, bir üst dönüştürme işlemi yoluyla birbirleriyle etkileşime girebilir. Uyarılmış iyon, güneş hücresi tarafından emilen Si bant aralığının üzerine ışık yayar ve akım üretebilen ek bir elektron deliği çifti oluşturur. Ancak, artan verimlilik küçüktür. Ek olarak, floroindat camlar düşük fonon katkılı uygun matris olarak önerilmiştir.
Işık Soğurucu Boyalar
Boyaya duyarlı güneş hücreleri (BDGH-DSSC'ler) düşük maliyetli malzemelerden yapılmıştır ve ayrıntılı üretim ekipmanına ihtiyaç duymazlar, bu nedenle kendin yap tarzında yapılabilirler. Kabaca, eski katı hal hücre tasarımlarından önemli ölçüde daha ucuz olmalıdır. DSSC'ler esnek tabakalar halinde tasarlanabilir ve dönüşüm verimliliği en iyi ince film hücrelerden daha az olmasına rağmen, fiyat / performans oranı fosil yakıt elektrik üretimi ile rekabet etmelerine izin verecek kadar yüksek olabilir.
Tipik olarak bir rutenyum metalorganik boya (Ru-merkezli), ince bir titanyum dioksit filmi üzerine adsorbe edilen, ışık emici malzemenin bir tek tabakası olarak kullanılır. Boyaya duyarlı güneş hücresi, yüzey alanını (yaklaşık 10 m2 / g düz tek kristal ile karşılaştırıldığında 200-300 m2 / g TiO2) büyük ölçüde büyütmek için bu mezopartikülat titanyum dioksit (TiO2) katmanına dayanır ve bu da güneş hücresi alanı başına daha fazla sayıda boyaya izin verir (bu da akımı arttırır). Işık emici boyadan gelen fotojenere elektronlar n-tipi TiO2ye geçirilir ve delikler boyanın diğer tarafındaki bir elektrolit tarafından emilir. Devre, sıvı veya katı olabilen elektrolit içindeki bir redoks çifti ile tamamlanır. Bu tip hücre, malzemelerin daha esnek kullanımına izin verir ve tipik olarak serigrafi veya ultrasonik nozullarla üretilir ve döküm güneş hücreleri için kullanılanlardan daha düşük işleme maliyetleri potansiyeli vardır. Bununla birlikte, bu hücrelerdeki boyalar da ısı ve UV ışığı altında bozunur ve montajda kullanılan çözücüler nedeniyle hücre muhafazasının sızdırmaz hale getirilmesi zordur. Bu nedenle araştırmacılar, sızıntıyı önlemek için katı bir elektrolit kullanan katı hal boyaya duyarlı güneş hücreleri geliştirmekteler. DSSC güneş modüllerinin ilk ticari sevkiyatı Temmuz 2009'da G24i Innovations firması tarafından gerçekleştirildi.
Kuantum noktaları
Kuantum nokta güneş hücreleri (KNGH-QDSC'ler), Gratzel hücresine veya boyayla duyarlılaştırılmış güneş hücresi mimarisine dayanır, ancak ışık emiciler olarak organik veya organometalik boyalar yerine kuantum noktaları( CdS, CdSe, PbS, vb. gibi)oluşturmaya yetecek kadar küçük kristalit boyutlarıyla üretilmiş düşük bant aralıklı yarı iletken nanopartiküller kullanır. Cd ve Pb bazlı bileşiklerle ilişkili toksisiteye bağlı olarak, geliştirilmekte olan bir dizi "yeşil" Kuantum Nokta hassaslaştırıcı (CuInS 2, CuInSe 2 ve CuInSeS gibi )materyal de vardır. Kuantum Nokta boyut nicelemesi, bant boşluğunun basitçe partikül boyutunu değiştirerek ayarlanmasını sağlar. Ayrıca yüksek yok olma katsayılarına sahipler ve çoklu eksiton oluşumu olasılığını gösterirler.
Bir KNGH'de, bir boyaya duyarlı güneş hücresinde olduğu gibi, bir mezogözenekli titanyum dioksit nanopartikül tabakası hücrenin omurgasını oluşturur. Bu katman daha sonra kimyasal banyo biriktirme, elektroforetik biriktirme veya ardışık iyonik katman adsorpsiyonu ve reaksiyonu kullanılarak yarı iletken kuantum noktalarla kaplanarak fotoaktif hale getirilebilir. Elektrik devresi daha sonra sıvı veya katı bir redoks çifti kullanılarak tamamlanır. QDSC'lerin etkinliği, hem sıvı bağlantı hem de katı hal hücreleri için gösterilen% 5'in üzerine çıkmıştır ve bildirilen en yüksek verimlilik% 11.91'dir. Prashant Kamat, araştırma grubu, üretim maliyetlerini düşürmek amacıyla TiO2 ve CdSe ile yapılan ve% 1'in üzerinde verimlilikle herhangi bir iletken yüzeye tek adımda uygulanabilen bir güneş boyası gösterdi. Bununla birlikte, Kuantum Nokta Güneş Hücrelerinde kuantum noktalarının (QD'ler) emilimi oda sıcaklığında zayıftır. Plazmonik nanopartiküller, QD'lerin (örneğin nanostarlar) zayıf absorpsiyonunu ele almak için kullanılabilir. QD'lerin bant içi ve bantlar arası geçişini harekete geçirmek için harici bir kızılötesi pompalama kaynağı eklemek başka bir çözümdür.
Organik / Polimer Güneş Hücreleri
Organik güneş hücreleri ve polimer güneş hücreleri organik yarı iletken ince filmlerden (tipik olarak 100 nm), polifenilen vinilen gibi polimerler ve bakır ftalosiyanin (mavi veya yeşil organik pigment) gibi küçük moleküllü bileşikler ve PCBM gibi karbon fullerenler ve fulleren türevlerinden yapılır.
Sıvı çözümden işlenebilirler, basit bir rulodan ruloya baskı işlemi imkanı sunar ve potansiyel olarak ucuz, büyük ölçekli üretime yol açar. Ek olarak, bu hücreler mekanik esnekliğin ve tek kullanımın önemli olduğu bazı uygulamalar için faydalı olabilir. Bununla birlikte, mevcut hücre verimlilikleri çok düşüktür ve pratik cihazlar esasen mevcut değildir.
İletken polimerler kullanılarak bugüne kadar elde edilen enerji dönüşüm verimleri, inorganik malzemelere kıyasla çok düşüktür. Bununla birlikte, Konarka Power Plastik %8,3 verimliliğe ve 2012 yılında organik tandem hücreler % 11,1 verimliliğe ulaşmıştır.
Organik bir cihazın aktif bölgesi, bir elektron vericisi ve bir elektron alıcısı olmak üzere iki malzemeden oluşur. Bir foton, tipik olarak verici materyalde bir elektron deliği çiftine dönüştürüldüğünde, yükler, diğer güneş hücresi türlerinin aksine, eksiton verici-alıcı arayüzüne yayıldığında ayrılan bir eksiton biçiminde bağlı kalma eğilimindedir. Çoğu polimer sisteminin kısa eksiton difüzyon uzunlukları, bu tür cihazların verimini sınırlama eğilimindedir. Nanoyapılı arayüzler, bazen toplu hetero bağlantılar şeklinde, performansı artırabilir.
2011 yılında, MIT ve Michigan Eyaleti araştırmacıları, spektrumun ultraviyole ve yakın kızılötesi kısımlarını küçük moleküllü bileşiklerle seçici olarak absorbe ederek elde edilen, insan gözüne % 65'ten fazla şeffaflığa, % 2'ye yakın bir güç verimliliğine sahip güneş hücreleri geliştirdiler. UCLA'daki araştırmacılar daha yakın zamanda, aynı yaklaşımı izleyerek,% 70 şeffaf ve % 4 güç dönüştürme verimliliğine sahip analog bir polimer güneş hücresi geliştirdiler. Bu hafif, esnek hücreler, düşük bir maliyetle toplu olarak üretilebilir ve güç üreten pencereler oluşturmak için kullanılabilir.
2013 yılında araştırmacılar,% 3 verimlilikle polimer hücreleri açıkladı. Kendilerini farklı katmanlar halinde düzenleyen kendiliğinden birleşen organik malzemeler olan blok kopolimerleri kullandılar. Araştırma, yaklaşık 16 nanometre genişliğinde bantlara ayrılan P3HT-b-PFTBT'ye odaklanmıştır.
Uyarlanabilir-Adaptif- hücreler
Adaptif hücreler, çevresel koşullara bağlı olarak soğurma / yansıma özelliklerini değiştirir. Uyarlanabilir bir malzeme, gelen ışığın yoğunluğuna ve açısına yanıt verir. Hücrenin ışığın en yoğun olduğu bölümünde, hücre yüzeyi yansıtıcıdan uyarlanmaya dönüşerek ışığın hücreye girmesine izin verir. Hücrenin diğer kısımları, hücre içinde emilen ışığın tutulmasını artırarak yansıtıcı kalır.
2014 yılında, uyarlanabilir bir yüzeyi, emileni tabakanın kenarlarında bir ışık emiciye yönlendiren bir cam alt tabaka ile birleştiren bir sistem geliştirildi. Sistem ayrıca, ışığı uyarlanabilir yüzeye yoğunlaştırmak için bir dizi sabit lens / ayna içermekteydi. Gün boyunca yoğun ışık hücre yüzeyi boyunca hareket eder. Bu yüzey, ışık en yoğun olduğu zaman ışığı soğurur ve ışık yüzeyden uzaklaştıktan sonra yansıtıcı özelliğine geri döner.
Yüzey Tekstürleme (Dokulama)
Geçtiğimiz yıllarda araştırmacılar, verimliliği en üst düzeye çıkarırken güneş hücrelerinin fiyatını düşürmeye çalıştılar. İnce film güneş hücresi, ışık emme verimliliği pahasına çok daha düşük kalınlığa sahip, uygun maliyetli ikinci nesil bir güneş hücresi tipidir. Azaltılmış kalınlık ile ışık emme verimini en üst düzeye çıkarmak için çalışmalar yapılmıştır. Yüzey tekstüre etme, soğurulan ışığı en üst düzeye çıkarmak için optik kayıpları azaltmak için kullanılan tekniklerden biridir. Şu anda, silisyum fotovoltaik üretiminde yüzey tekstüre teknikleri büyük ilgi görmektedir. Yüzey tekstüre etme birçok yöntemle yapılabilir. Tek kristalli silisyum substratın dağlanması, anizotropik dağlayıcılar kullanılarak yüzey üzerinde rastgele dağıtılmış kare tabanlı piramitler üretebilir. Son araştırmalar, c-Si yonga plakaların (wafer) nano ölçekli ters piramitler oluşturmak için asitle kazınabileceğini (oyulabileceğini) göstermektedir. Çok kristalli silisyum (mc-Si) güneş hücreleri, daha düşük kristalografik kalite nedeniyle, tek kristal güneş hücrelerinden daha az etkilidir, ancak mc-Si güneş hücreleri, üretim zorluklarının daha az olması nedeniyle hala yaygın olarak kullanılmaktadır. Çok kristalli (Multi Kristal) güneş hücrelerinin, izotropik aşındırma (kazıma) veya fotolitografi teknikleriyle monokristal silisyum hücrelerinki ile karşılaştırılabilir güneş enerjisi dönüşüm verimliliği sağlamak için yüzeylerinin tekstüre (dokulandırılabileceği) edilebileceği bildirilmiştir. Düz bir yüzey üzerindeki ışınların aksine, dokulu-tekstüre bir yüzeye gelen gelen ışık ışınları havaya geri yansımaz. Daha ziyade, yüzeyin geometrisi nedeniyle bazı ışık ışınları diğer yüzeye geri yansır. Bu işlem, artan ışık emilimi nedeniyle ışığı elektriğe dönüştürme verimliliğini önemli ölçüde artırır. Bu tekstürleme efekti ve ayrıca fotovoltaik güneş panelindeki diğer arayüzlerle etkileşim, zorlu bir optik simülasyon çalışmasıdır. Modelleme ve optimizasyon için özellikle verimli bir yöntem OPTOS formaliz yöntemidir. 2012'de MIT'deki araştırmacılar, nano ölçekli ters piramitlerle dokulu c-Si filmlerinin, 30 kat daha kalın düzlemsel c-Si'ye kıyasla ışık emilimi sağlayabildiğini bildirdi. Yansıma önleyici kaplama ile birlikte yüzey tekstüre tekniği, ince film silisyum güneş hücresi içindeki ışık ışınlarını etkili bir şekilde yakalayabilir. Sonuç olarak, ışık ışınlarının emilimi arttıkça güneş hücresi için gerekli kalınlık azalır.
Kapsülleme
Güneş hücreleri, hassas güneş hücre bölgelerini, çalışma sırasında veya dışarıda kullanıldığında nem, kir, buz ve diğer koşullarla temas etmeye karşı korumak için genellikle şeffaf bir polimerik reçine içinde kapsüllenir. Enkapsülantlar genellikle polivinil asetat veya camdan yapılır. Enkapsülantların çoğu yapı ve kompozisyon bakımından tekdüze olup, reçine içindeki ışığın toplam dahili yansımasından kaynaklanan ışık hapsine bağlı olarak ışık toplanmasını arttırır. Daha fazla ışık toplaması sağlamak için enkapsülantın yapılandırılmasına yönelik araştırmalar yapılmıştır. Bu tür enkapsülantlar arasında pürüzlü cam yüzeyler, kırınım elemanları, prizma dizileri, hava prizmaları, v-oluklar, dağınık elemanlar ve çok yönlü dalga kılavuzu dizileri bulunmaktadır. Prizma dizileri, toplam güneş enerjisi dönüşümünde genel olarak% 5'lik bir artış göstermektedir. Dikey olarak hizalanmış geniş bant dalga kılavuzlarından oluşan diziler, kısa devre akımında % 20'ye varan bir artış sağlayan optimize edilmiş yapılarla, normal insidansta % 10'luk bir artış ve % 4'e kadar geniş açılı toplama artışı sağlar Kızılötesi ışığı görünür ışığa dönüştüren aktif kaplamalar % 30 artış göstermiştir. Plazmonik ışık saçılımını tetikleyen nanopartikül kaplamalar, geniş açılı dönüşüm verimliliğini % 3'e kadar artırır. Metalik ön kontakları etkili bir şekilde "gizlemek" için kapsülleme malzemelerinde optik yapılar da yaratılmıştır.
Üretim
Güneş hücreleri, diğer yarı iletken cihazlarla aynı proses ve üretim tekniklerinden bazılarını paylaşır. Bununla birlikte, yarı iletken imalatının temizliği ve kalite kontrolü için katı gereklilikler, güneş pilleri için daha rahattır ve bu durum maliyetleri düşürür.
Polikristal silisyum yonga plakaları (wafer), blok döküm silikon külçelerin tel testereyle kesilmesiyle 180 ila 350 mikrometrelik wafer haline getirilir. Yonga Plaka (Wafer)lar genellikle hafif p-tipi katkılıdır. Plakaların ön tarafında n-tipi katkı maddelerinin bir yüzey difüzyonu gerçekleştirilir. Bu, yüzeyin birkaç yüz nanometre altında bir bağlantı noktası oluşturur.
Yansıma önleyici kaplamalar daha sonra tipik olarak güneş hücresine bağlanan ışık miktarını artırmak için uygulanır. Silisyum nitrür, mükemmel yüzey pasifleştirme özellikleri nedeniyle, titanyum dioksitin yerine yavaş yavaş tercih edilmeye başlanmıştır. Bu malzeme hücre yüzeyinde taşıyıcı rekombinasyonunu (yarı iletkende serbest elektronların deşiklerle birleşmesi) engeller. Plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD) kullanılarak birkaç yüz nanometre kalınlığında bir katman uygulanır. Bazı güneş hücreleri, yansıma önleyici kaplamalar gibi wafera ulaşan ışık miktarını artıran dokulu ön yüzeylere sahiptir. Bu tür yüzeyler önce tek kristalli silisyuma, ardından çok kristalli silisyumlara uygulanmıştır.
Arka yüzeyde tam alanlı bir metal temas alanı yapılır ve ince "parmaklardan- finger" ve daha büyük "baralardan-busbar" oluşan ızgara benzeri bir metal temas alanı, bir gümüş macun kullanılarak ön yüzeye serigrafik olarak basılır. Bu, ilk olarak Bayer AG tarafından 1981'de kayıt altına alınan bir ABD patentinde açıklanan elektrotların uygulanması için "wet" olarak adlandırılan işlemin bir evrimidir. Arka temas yüzeyi(Back Contact), tipik olarak alüminyum olan bir metal macunun serigrafik baskısı ile oluşturulur. Bazı tasarımlarda ızgara deseni kullanılsa da, genellikle bu temas arka kısmın tamamını kaplar. Macun daha sonra silisyumla omik temas halinde metal elektrotlar oluşturmak için birkaç yüz santigrat derecede ateşlenir. Bazı şirketler, verimliliği artırmak için ek bir galvanik kaplama adımı kullanır. Metal tema yüzeyleri yapıldıktan sonra, güneş pilleri düz teller veya metal şeritler ile birbirine bağlanır ve modüller veya yaygın adıyla "güneş panelleri" halinde birleştirilir. Güneş panellerinin ön tarafında bir temperli cam levha ve arkasında bir polimer kapsülleme malzemesi bulunur.
Üreticiler ve sertifikasyon
Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) güneş teknolojilerini test eder ve onaylar. Üç güvenilir grup güneş enerjisi ekipmanını sertifikalandırır: UL ve IEEE (ABD standartları) ve IEC (Avrupa Birliği Standartları).
Güneş hücreleri Japonya, Almanya, Çin, Tayvan, Malezya ve Amerika Birleşik Devletleri'nde hacimli olarak üretilirken, kurulu sistemlerde Avrupa, Çin, ABD ve Japonya baskındır (2013 itibarıyla% 94 veya daha fazla). Diğer ülkelerde önemli miktarda güneş hücresi üretim kapasitesi kazanmaya başlamıştır.
Avrupa Komisyonu'nun Ortak Araştırma Merkezi tarafından yayınlanan yıllık "FV Durum Raporu" na göre, güneş enerjisi yatırımlarında% 9'luk bir düşüşe rağmen, küresel PV hücre / modül üretimi 2012'de% 10 arttı. 2009 ve 2013 yılları arasında hücre üretimi dört katına çıktı.
Çin
2013'ten beri Çin, dünyanın önde gelen güneş fotovoltaik sistemleri (FV) kurucusudur. Eylül 2018 itibarıyla, dünyadaki fotovoltaik güneş modüllerinin yüzde altmışı Çin'de üretilmiştir. Mayıs 2018 itibarıyla, dünyanın en büyük fotovoltaik tesisi Çin'deki Tengger çölünde bulunuyor. 2018'de Çin, sonraki 9 ülkenin toplamından daha fazla kurulu fotovoltaik kapasite (GW cinsinden) eklemiştir.
Malezya
2014 yılında Malezya, Çin ve Avrupa Birliği'nin ardından dünyanın üçüncü büyük fotovoltaik ekipman üreticisiydi.
Amerika Birleşik Devletleri
ABD'de güneş enerjisi üretimi son 6 yılda ikiye katlanmıştır. Bu durumu, önce kaliteli silisyumun fiyatının düşmesi ve daha sonra sadece fotovoltaik güneş panellerinin (modüllerin) küresel olarak düşen maliyeti sağlamıştır. 2018'de ABD,% 21'lik bir artışla 10.8GW kurulu güneş fotovoltaik enerjisi eklemiştir.
Bertaraf
Güneş hücreleri zamanla bozulur ve verimliliklerini kaybeder. Çöl veya kutup gibi aşırı iklimlerdeki güneş hücreleri sırasıyla şiddetli UV ışığına ve kar yüklerine maruz kalma nedeniyle bozulmaya daha yatkındır. Genellikle, güneş panellerine kullanımdan kaldırılmadan önce 25-30 yıllık bir ömür verilir.
Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı, 2016 yılında üretilen güneş paneli atığı miktarının 43.500-250.000 metrik ton olduğunu tahmin etmektedir. Bu sayının 2030 yılına kadar önemli ölçüde artacağı ve 2050'de 60-78 milyon metrik tonluk tahmini atık hacmine ulaşacağı tahmin edilmektedir.
Geri dönüşüm
Güneş panelleri farklı yöntemlerle geri dönüştürülür. Geri dönüşüm süreci, Si modüllerini parçalamak ve çeşitli malzemeleri geri kazanmak için modül geri dönüşümü, hücre geri dönüşümü ve atık işleme olmak üzere üç aşamalı bir süreci, içerir. Geri kazanılan metaller ve silisyum, güneş enerjisi endüstrisinde yeniden kullanılabilir ve bugünkü gümüş (Ag) ve güneş sınıfı silisyum fiyatları üzerinden modül başına 1112$ gelir elde edilebilir.
Bazı güneş modülleri (Örneğin: First Solar CdTe güneş modülü), kırıldığında olasılıkla toprağa sızabilecek ve çevreyi kirletebilecek kurşun ve kadmiyum gibi toksik maddeler içerir. İlk Güneş paneli geri dönüşüm tesisi 2018'de Fransa'nın Rousset şehrinde açılmıştır. Yılda 1300 ton güneş paneli atığını geri dönüştürecek ve kapasitesini 4000 tona çıkarabilecek şekilde tasarlanmıştır.
Çalışması
Güneş pili en basit anlamda eskiden beri kullandığımız hesap makineları içerisinde de bulunabilen ve güneşten enerjisini elektrik enerjisine çeviren pillerdir. Düşük ve yüksek voltajlı birçok uygulama için farklı güneş pilleri elektrik ihtiyacı bulunan her alanda kullanılabilme özelliğine sahiptir.
Güneş ışığındaki fotonlar, elektronları yarı iletken metalik bir yonga plakasının bir katmanından bir diğer katmanına hareket ettiren enerjiyi sağlar. Elektronların bu hareketi bir akım yaratır.
İki tür güneş hücresi kullanılmaktadır: silikon ve gallium arsenid. Uydular gallium arsenidi kullanırlarken silikonlar ise genellikle yerküredeki uygulamalarda kullanılmaktadır.
Hücrenin üst tabakaları yansımayı önleyici kaplama ve korumalardan oluşur. Güneş hücreleri son derece kırılgan olduklarından böyle bir koruma çatlama ve kırılmaları önlemek açısından gereklidir. Aksi halde hücrenin çalışması sekteye uğrar ve bu da enerji kaybına sebep olur. Işık bu katmanlara nüfuz ettiğinde silikon veya gallium arsenid'e çarpar. P ve N tabakaları arasındaki bölümlerin farklılıkları sebebiyle güneşten gelen enerji bunlara çarptığında elektronların N tabakasından P tabakasına akışı sağlanmış olur. P ve N tabakaları arasına tel çekilmek(?) suretiyle güneş hücresi artı ve eksi kutuplara sahip bir pil halini alır ve böylelikle bir araca güç sağlamak için kullanılabilir.
Depolama özelliği gösteren araçlarda piyasada bulunabilen yerküre bazında kullanılan silikon piller kullanılır. Tek tek sayısız hücreler Güneş Panelini oluşturmak için bir araya getirilir. Kullanılan motora bağlı olarak bu paneller 12 ila 1000 volt arasında gerilimde ve sonsuz watta kadar güç sağlayabilirler. Güneş ışığının yoğunluğu, havanın bulutu olması ve hava sıcaklığı güneş panelinin ürettiği gücü etkiler.
Diğer tip güneş arabalarında ise herhangi bir tip güneş hücresi kullanılabilir. Bu esneklik sebebiyle birçok güneş arabası takımı uzayda kullanılan gallium arsenid güneş hücrelerini kullanırlar. Bu piller geleneksel silikon pillere oranla genellikle daha ufak ve çok daha pahalıdırlar. Ancak bunlardan çok daha verimlidirler. Bu iki hücre arasındaki güç farkı 1000 watt a kadar çıkabilirken maliyet en az 10 kat daha fazladır.
Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 60 cm2 ile 160 cm2 civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.
Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. (Güneş pillerinin yapısı ve çalışması)
Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.
Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül (güneş paneli) adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak birkaç Watttan megaWattlara kadar sistem oluşturulur.
Güneş pillerinin yapısı
Günümüz elektronik ürünlerinde kullanılan transistörler, doğrultucu diyotlar gibi güneş pilleri de, yarı-iletken maddelerden yapılırlar. Yarı-iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir.
Yarı-iletken maddelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır. Elde edilen yarı-iletkenin n ya da p tipi olması katkı maddesine bağlıdır. En yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element, örneğin fosfor eklenir. Silisyumun dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğu için, 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 için ise, eriyiğe 3. gruptan bir element (alüminyum, indiyum, bor gibi) eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur, bu elektron yokluğuna hol ya da boşluk denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere de "p tipi" ya da "alıcı" katkı maddeleri denir.
P ya da n tipi ana malzemenin içerisine gerekli katkı maddelerinin katılması ile yarı iletken eklemler oluşturulur. N tipi yarı iletkende elektronlar, p tipi yarı iletkende holler çoğunluk taşıyıcısıdır. P ve n tipi yarı iletkenler bir araya gelmeden önce, her iki madde de elektriksel bakımdan nötrdür. Yani p tipinde negatif enerji seviyeleri ile hol sayıları eşit, n tipinde pozitif enerji seviyeleri ile elektron sayıları eşittir. PN eklem oluştuğunda, n tipindeki çoğunluk taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine doğru akım oluştururlar. Bu olay her iki tarafta da yük dengesi oluşana kadar devam eder. PN tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, P bölgesi tarafında negatif, N bölgesi tarafında pozitif yük birikir. Bu eklem bölgesine "geçiş bölgesi" ya da "yükten arındırılmış bölge" denir. Bu bölgede oluşan elektrik alan "yapısal elektrik alan" olarak adlandırılır. Yarı iletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekir. Bu dönüşüm iki aşamada olur, ilk olarak, eklem bölgesine ışık düşürülerek elektron-hol çiftleri oluşturulur, ikinci olarak ise, bunlar bölgedeki elektrik alan yardımıyla birbirlerinden ayrılır.
Yarı iletkenler, 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 büyük enerjili bir foton, yarı iletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans banddaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar. Böylece, elektron-hol çifti oluşur. Bu olay, pn eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiş ise elektron-hol çiftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde güneş pili, elektronları n bölgesine, holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır. Birbirlerinden ayrılan elektron-hol çiftleri, güneş pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluştururlar. Bu süreç yeniden bir fotonun pil yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam eder. Yarı iletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol çiftleri oluşturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı için tekrar birleşerek kaybolmaktadırlar.
Güneş pilleri pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok kullanılan maddeler şunlardır:
Kristal Silisyum: Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde laboratuvar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çokkristal Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük olmaktadır. Verim, laboratuvar şartlarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır.
Galyum Arsenit (GaAs): Bu malzemeyle laboratuvar şartlarında %25 ve %28 (optik yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarı iletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs güneş pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır.