Güneş pili (İngilizce: solar cell) ışığı doğrudan elektrik akımına dönüştüren (fotovoltaik) bir araçtır. Yarı iletken bir diyot olarak çalışan güneş pili, güneş ışığının taşıdığı enerjiyi iç fotoelektrik reaksiyondan faydalanarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür.

Tanımı

İngilizce "photovoltaic" olan fotovoltaik piller, Türkçe'ye güneş pilleri şeklinde geçmiş olsa da bir pil gibi çalışmamaktadır. Bildiğiniz üzere piller depolanan kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür oysa güneş hücreleri veya güneş gözeleri diye tabir edebileceğimiz fotovoltaik piller Güneş'den yararlanır. Güneş'in yaydığı radyasyon foton denen parçacıklarla hareket eder yani yayılır. Foton denen parçacıklar enerji taşırlar ve ışık hızında hareket ederler.Güneş hücrelerinin bildiğimiz pillerden en büyük farklarından biri daha uzun ömürlü olmaları. Bir güneş hücresi yaklaşık 20-25 yıl ömre sahiptir.Güneş hücreleri yarıiletken malzemelerden oluşur. Bu malzemeler kristal veya ince film halinde silikon olurken ince film halinde germanyum gibi malzemelerde kullanılmaktadır. Özellikle kristal slikonlar kullanılmaktadır ve bunun sebebi daha ucuz imal edilmesidir.

Türkiye Cumhuriyetinde 5346 No.lu kanunun [1] kabulunden sonra yenilenebilir enerjilere daha çok önem kazanmıştır. Belgeli yenilenebilir enerji üreticilere satış garantisi veren bu kanunun benzerleri, çeşitli Avrupa Birliği ülkelerinde de uygulanmaktadır.

Çalışması

Güneş ışığındaki elektromanyetik dalgalar, 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.

Pilin 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 pilin çalışması sekteye uğrar ve buda 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 P tabakasından N 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 piller (bine yakın) “Güneş Panelini” oluşturmak için bir araya getirilir. Kullanılan motora bağlı olarak bu paneller 50 ila 200 volt arasında işler ve 2000 watt a 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 bir çok 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 pil arasındaki güç farkı 1000 watt a kadar çıkabilirken maliyet en az 10 kat daha fazladır.

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 yarıiletken 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. Silisyum'un 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 yarıiletken eklemler oluşturulur. N tipi yarıiletkende elektronlar, p tipi yarıiletkende holler çoğunluk taşıyıcısıdır. P ve n tipi yarıiletkenler biraraya 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. Yarıiletken 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.

Yarıiletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur. Bu bandlar valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eşit veya daha büyük enerjili bir foton, yarıiletken 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. Yarıiletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol çiftleri oluşturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı için tekrar birleşerek kaybolmaktadırlar.