TEKNOLOJĐK UYGULAMALARDA KĐMYANIN ROLÜ

Transkript

1 MYO-ÖS Ulusal Meslek Yüksekokulları Öğrenci Sempozyumu EKĐM 2010-DÜZCE TEKNOLOJĐK UYGULAMALARDA KĐMYANIN ROLÜ Mustafa ERAT 1 Hülya ÖZTÜRK DOĞAN 1 M.Lütfü YILDIZ 1 Hasret BEZENG 1 Gizem Nur KARAOĞLU 1 1 Erzurum Meslek Yüksekokulu Atatürk Üniversitesi - ERZURUM ÖZET eratm@atauni.edu.tr hdogan@atauni.edu.tr yildizlutfu@hotmail.com hasretbezeng@hotmail.com hiddenlight-91@hotmail.com Kimya, madde ve malzeme ile ilgilenen bir bilim dalıdır. Günümüz ihtiyaçları doğrultusunda teknoloji her geçen gün ilerleyiş göstermek zorundadır. Teknolojik materyal uygulamalarında son zamanlarda sensörler, kapasitörler, güneş pilleri, transistörler ve ultrakapasitörler oldukça dikkat çeken konular arasında yer almaktadır. Özellikle yenilenemez enerji kullanımını en aza indirmesi planlanan güneş pilleri daha çok araştırma konusu oluşturmaktadır. Teknolojik uygulamalara kimyasal maddelerin eklenmesi ile kullanılan materyaller değişik özellikler kazanmaktadır. Bu özellikler kullanılan materyalin özelliğine göre olumlu ya da olumsuz olabilmektedir. Ancak madde katkılanması ile materyaller genellikle daha üstün başarı sergilemiştir. Bu çalışma kapsamında, kullanılan malzemelere bağlı olarak teknolojik materyallerden güneş pillerinde meydana gelen değişimler araştırılacaktır. Anahtar Kelimeler: Teknoloji; Kimya; Güneş Pilleri. 1.GĐRĐŞ Teknoloji her geçen gün gelişen ve yeni ihtiyaçlara karşılık verecek duruma gelen bir araç olmaktadır. Bu araçlar içerisinde çok farklı amaçlarla kullanım söz konusu olmaktadır. Bir bilgisayar parçası, elektronik devre tamamlayıcı bir kapasitör ve oldukça ucuz bir enerji elde etme yöntemi olan güneş pilleri gibi farklı alanlara hitap etmektedir. Güneş pilleri (fotovoltaik diyotlar) üzerine güneş ışığı düştüğünde, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir. Bu enerji çevriminde herhangi hareketli parça bulunmaz. Güneş pillerinin çalışma ilkesi, Fotovoltaik (Photovoltaic) olayına dayanır. Đlk kez 1839 yılında Becquerel, elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilim, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğu gözlemleyerek Fotovoltaik olayını bulmuştur. Katılarda benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G.W. Adams ve R.E. Day tarafından gösterilmiştir. Bunu izleyen yıllarda çalışmalar bakır oksit ve selenyuma dayalı foto diyotların, yaygın olarak fotoğrafçılık alanında ışık metrelerinde kullanılmasını beraberinde getirmiştir yılında fotovoltaik diyotların verimliliği %1, değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik diyotlar ilk kez 1954 yılında Chapin ve arkadaşları tarafından silikon kristali üzerine gerçekleştirilmiştir. Güneş pillerinin yeryüzünde de elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik araştırma ve geliştirme çabaları 1954 ler de başlamış olmasına karşın, gerçek anlamda ilgi 1973 yılındaki 1. petrol bunalımı nı izleyen yıllarda 1

2 olmuştur. Amerika da, Avrupa da, Japonya da büyük bütçeli ve geniş kapsamlı araştırma ve geliştirme projeleri başlatılmıştır. Bir yandan uzay çalışmalarında kendini ispatlamış silikon kristaline dayalı güneş pillerinin verimliliğini artırma çabaları ve diğer yandan alternatif olmak üzere çok daha az yarı iletken malzemeye gerek duyulan ve bu neden ile daha ucuza üretilebilecek ince film güneş pilleri üzerindeki çalışmalara hız verilmiştir. Güneş hücreleri genel olarak üç kategoriye ayrılır: 1) Birinci Nesil: Kristal silisyum güneş hücreleri (c-si ve mc-si) 2) Đkinci Nesil: Đnce film güneş hücreleri (a-si, CdTe, CIS veya CIGS) 3) Üçüncü Nesil: Nano teknolojiye dayalı güneş hücreleri (Tandem, Supertandem, Intermediate Band Solar Cells vs.) 1.1. Birinci nesil güneş pilleri: Temelde kendi içinde iki kısma ayrılır. Monokristalin ve polikristalin Si güneş pilleridir. Monokristalin; tüm maddenin tek kristalden oluşması ve materyalin atom yapısının homojen olması demektir. Polikristalin ise materyalin tek kristalden oluşmaması yani tüm yapının homojen olmamasıdır Monokristalin güneş pilleri: Monokristalin güneş pilleri %20 verimlilik kapasitesindedir. Kalite ve verimlilik açısından en iyileridir fakat üretimi zaman açısından uzun sürdüğü için fiyat olarak pahalıdırlar Polikristalin güneş pilleri: Polikristalin güneş pilleri %16 verimlilik kapasitesindedir. Katile ve verimlilik açısından iyi olmasa da düşük maliyetlerinden dolayı en fazla üretilen türlerdir. 1.2.Đkinci nesil güneş pilleri: Hücreler kendi içinde ince tabakalı bir yapıya sahiptir. Đkinci nesil güneş pillerinde genellikle yarı iletken özellikte materyaller kullanılmaktadır. Uygulama kolaylığı açısından çoğunlukla CIS (Bakır Đndiyum di Selenit; CuInSe 2 ) tercih edilmektedir. CIS tabakaları birinci nesil güneş pillerinden oldukça incedir. Birinci nesil güneş pilleri µm kalınlıkta iken CIS olanlar 5 µm kalınlıktadır. CIS güneş pillerinin bir diğer avantajı kötü hava koşullarında bile kararlıdır ve yarı şeffaf olarak üretilme imkânı sunabilmektedir. Bu güneş pillerinin tek dezavantajı içerisinde bulunan indiyumun dünyada sınırlı olmasıdır. 2

3 1.3. Güneş Pilleri Kullanım Alanları Güneş pili en basit anlamda eskiden beri kullandığımız hesap makineleri içerisinde bulunan ve güneşten enerjisini elektrik enerjisine çeviren pillerdir. Düşük ve yüksek voltajlı birçok uygulama için farklı güneş pilleri alternatif enerji kaynakları oldukları için elektrik ihtiyacı bulunan her alanda kullanılabilme özelliğine sahiptir. Bu alanlardan bazılarını aşağıdaki gibi özetleyebiliriz. GSM santralleri, radyo ve TV istasyonları Askeri amaçlı enerji gereksinimleri Yatlar, deniz fenerleri Billboard aydınlatılması Sokak ve otobüs duraklarının aydınlatılması Park ve bahçe aydınlatmaları Çiftlik evleri, villalar, konutlar, siteler Orman gözetleme kuleleri Tüm turistik işletmeler 2. DENEYSEL veya TEORĐK ÇALIŞMA 2.1. Güneş Pillerinin Çalışma Prensibi 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. 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. Đki tür güneş hücresi kullanılmaktadır: i-silikon ve ii-galyum arsenid. Uydular galyum arsenidi kullanırlarken, silikonlar genellikle yerküredeki uygulamalarda kullanılmaktadır. 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 ve n tipi katkılandırılmış malzemeler bir araya getirildiğinde yarıiletken eklemler oluşturulur. N tipi yarıiletkende elektronlar, p tipi yarıiletkende holler çoğunluk taşıyıcısıdır. P ve n tipi yarıiletkenler 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 3

4 oluşana kadar devam eder. PN tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, p bölgesi tarafında negatif, n bölgesi tarafında pozitif yük birikir. P ve n tipi katkılama Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1. P ve n tipi katkılanmanın şematik gösterimi. 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 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 Pillerine Yönelik Yapılan Çalışmalar ABD li bilim adamları, özel bir kumaştan yaptıkları güneş perdeleri ile elektrik üretmişlerdir. ABD nin saygın araştırma kuruluşlarından Massachusetts Institute of Technology de (MIT) görevli bilim adamları, esnek ve ısıya maruz kaldığında elektrik üretebilen maddeler üzerinde çalışmaya başlamışlardır. Fotovoltaik (Isıya maruz kaldığında enerji üretebilen) malzemeler üzerinde çalışan ekip, ilk prototip ile elektrik üretmeyi başarmışlardır. Güneş kumaşı (solar textile) adı da verilen bu maddeler, Türkiye de gün ısı diye bilinen güneş panelleri gibi fotovoltaik hücrelere sahiptir. Yarı iletken bu maddeler güneş ışığını tutarak bunu elektrik enerjisine çeviriyorlar. MIT ekibi, ev perdelerini portatif, esnek, enerji biriktirebilen hale getirerek, enerji üretmesini sağladılar. Prototipi yapılan ve yenilenebilir olan bu enerji, gelecekte güneş gören tüm evlerde kullanılabilecek gibi görünmektedir [1]. Washington Üniversitesindeki araştırmacılar organik boyar maddeli güneş panelleri üzerinde çalışmaktadırlar. Bu tip paneller, çatılarda ve hesap makinelerinde kullanılan silikon temelli panellerden daha az verimlidir. Avantajları ise daha esnek, ucuz ve kolay üretilebilir olmalarıdır. Bu tür panellerin verimliliğini arttırmak için başvurulan yöntem güneşin vurduğu yüzey alanını arttırmaktır. Bunun için yüzeyde çok küçük parçacıklar kullanılıyor ve girinti çıkıntılar sayesinde yüzey alanı artıyor. Öte yandan, ışığın dalga boyuna yakın, daha büyük parçacıklarsa ışığın ışık emici yüzeyler arasında daha fazla kalmasını sağlıyor. Washington Üniversitesi ndeki araştırmada ise 15 nanometre çapındaki çok küçük parçacıklar, 300 nanometre çapındaki daha büyük parçacıkları oluşturmak için birleştirilmişler. Böylece, oluşan büyük toplar ışığı daha çok yüzeyde tutarken, küçük parçacıklar da yüzey alanını gram 4

5 başına yaklaşık 100 metrekareye kadar çıkarıyorlar. Küçük parçacıklarla üretilen panelin verimi yüzde 2,4 ken, bu şekilde verim yüzde 6,2 ye çıkmıştır. Bu da iki kattan fazla bir verim artışı demektir [2]. ODTÜ lü araştırmacılar, pencere camları arasına yerleştirilmiş güneş pilleri ile elektrik enerjisi üreten, Türkiye nin ilk güneş paneli prototipini ürettiler. ODTU Fizik Bölümü Öğretim Üyesi Prof. Dr. Raşit Turan, Türkiye de güneşten elektrik enerjisi elde etmenin maliyetinin Almanya'daki maliyetin yarısından az olduğunu belirtmiştir. Gerçekleştirdikleri hücre ve panel üretimi, Türkiye de fotovoltaik teknolojilerinin gelişmesi yönünde önemli bir adım oluşturmaktadır. Bu alanda bundan sonra yürütülecek çalışmalarda geniş ölçekli üretimi sağlamaya yönelik çabalara yol göstermeyi hedeflemişlerdir. 3. BULGULAR Yakıt sorununun olmaması, işletme kolaylığı, mekanik yıpranma olmaması, modüler olması, çok kısa zamanda devreye alınabilmesi (azami bir yıl), uzun yıllar sorunsuz olarak çalışması, temiz bir enerji kaynağı olması vb gibi nedenlerle dünya genelinde fotovoltaik elektrik enerjisi kullanımı sürekli artmaktadır. Avrupa Birliği 2010 yılında fotovoltaik elektriğin elektrik üretimi içindeki payının %0,1 olmasını hedeflemiştir [3]. Kimya alanında gerçekleştirilen çalışmaların güneş pillerine katkısı oldukça fazladır. Güneş pillerinde çoğunlukla kullanılan kimyasal maddeler; bakır indiyum diselenid (CuInSe 2 ), galyum arsenit (GaAs), amorf silisyum, kadmiyum tellürid (CdTe) ve kristal silisyumdur. Kristal Silisyum: Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen Tek kristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde laboratuvar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çok kristal 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 yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs güneş pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır. Amorf Silisyum: Kristal yapı özelliği göstermeyen bu Si pillerden elde edilen 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 entegre yarısaydam cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin edilmektedir. Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çok kristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneş pili maliyetinin çok aşağılara çekileceği tahmin edilmektedir. Laboratuvar tipi küçük hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir. Bakır Đndiyum Diselenid (CuInSe 2 ): Bu çok kristal pilde laboratuvar şartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiştir. 5

6 4.SONUÇLAR VE ÖNERĐLER Doğal kaynakların tükendiği ve geleceğe yönelik alternatif enerji kaynaklarına ihtiyaç duyulduğu bir gerçektir. Yapılan araştırmalar gelecekte enerji ihtiyacını karşılamada iki enerji kaynağı ön plana çıkmıştır. Bunlar nükleer enerji ve güneş enerjisidir. Dünya çapında iklim değişiklikleri ve sınırlı fosil yakıt kaynakları ile karşı karşıya olmamız nedeniyle gelecekte güneş enerjisi diğer enerji kaynaklarımızı takviye etmeye devam etmeli. Uzun dönemi göz önüne alırsak güneş enerjisinden başka alternatifimiz yok. Güneş enerjisinden yararlanma yolları giderek daha iyi ve daha ucuz oluyor. Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Devlet Meteoroloji Đşleri Genel Müdürlüğünde (DMĐ) mevcut bulunan yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak EĐE tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kwh/m²-yıl (günlük toplam 3,6 kwh/m²) olduğu tespit edilmiştir. Türkiye'nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güney Doğu Anadolu Bölgesi olup, bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir. Ülkemizde çoğu Akdeniz ve Ege Bölgelerinde kullanılmakta olan, güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sıcak su üretme sistemleridir. Halen ülkemizde kurulu olan güneş kollektörü miktarı yaklaşık 12 milyon m² olup, yıllık üretim hacmi 750 bin m² dir ve bu üretimin bir miktarı da ihraç edilmektedir. Güneş enerjisinden ısı enerjisi yıllık üretimi 420 bin TEP civarındadır. Bu haliyle ülkemiz dünyada kayda değer bir güneş kollektörü üreticisi ve kullanıcısı durumundadır [4]. Türkiye de güneş enerjisinin kullanımı (sıcak su elde edilmesi dışında) genelde bilinmemekte, tanıtımı yapılmamakta ve devletçe teşvik edilmemektedir. Dolayısıyla, bu konuda hizmet verecek mühendislik, müşavirlik ve müteahhitlik firmaları ve ilgili sanayi gelişememektedir. Đlk yatırım giderleri yüksek olan, ancak yakıt masraflarının olmaması nedeniyle işletme masrafları bulunmayan çevre ile uyumlu, güneş kaynaklı enerji üretim sistemlerinin gerçekleştirilmesi için gerekli uzun vadeli finansman imkânı sağlandığında bu teknolojiler gelişecek ve enerji darboğazlarının konuşulduğu ülkemizde bu kaynaktan en üst seviyede faydalanmanın yolu açılmış olacaktır. 5.KAYNAKLAR [1] [2] [3] Devlet Planlama Teşkilatı (DPT), Sekizinci Beş Yıllık Kalkınma Planı Elektrik Enerjisi Özel Đhtisas Komisyonu Raporu, DPT: 2569 ÖĐK: 585, Ankara, [4] 6