GÜNE LLER GÜNE LLER Güne pilleri, üzerlerine gelen güne ının (foton) enerjisini elektrik enerjisine dönü

Transkript

1 GÜNEŞ PİLLERİ GÜNEŞ PİLLERİ Güneş pilleri, üzerlerine gelen güneş ışığının (foton) enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik düzeneklerdir. Fotovoltaik, görünür ışınlara maruz kaldığında, voltaj yapabilme özelliğidir. Fotovoltaik teknolojisi güneş ışığından (foton enerjisi) elektrik üretir.

2

3 GÜNEŞ PİLLERİ Güneş pillerinin çoğu Si yarı-iletkenden yapılmaktadır. Si den katkılamayla p-n kavşağı oluşturulur. Gelen ışığın fotonları yarı-iletken tarafından soğurulur ve n bölgesi içinde serbest kalan elektronlar p bölgesine, p- bölgesindeki boşluklar n-bölgesine ilerler. Yük hareketi akım oluşturur.

4 n-tipi p-tipi GÜNEŞ PİLLERİ Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklindeki güneş pillerinin alanları 100 cm², kalınlıkları 0,2-0,4 mm arasındadır. Hareketli parçaları olmadığından teorik ömürleri sonsuzdur. Güç çıkışını artırmak için çok sayıda pil birbirine bağlanır. Buna güneş pili modülü denir.

5 Fotovoltaik Modül Güneş pillerinin paralel veya seri bağlanmasıyla elde edilirler. Paralel bağlandığında, voltaj sabit akım iki katına çıkar, seri bağlandığında, akım sabit, voltaj iki katına çıkar. Güneş pillerinin dış ortamdan korunması için modüller kapsüllenir. Paneller, modüllerin, bağlanmasıyla elde edilirler.

6 Foto-voltaik hücre (0.5V) Hücreler seri bağlanarak 12 V lik Modül elde edilir Modüller, kullanım yerine göre seri ve paralel bağlanarak uygun V ve I elde edilir (Panel). GÜNEŞ PİLİ PARÇALARI Aktif fotovoltaik malzeme Metal ızgaralar Yansımayı önleyici tabakalar Destekleme malzemesi

7 AVANTAJLAR Kaynak bedava ve sonsuz Çevre dostu Gürültü yok (hareketli parça yok) Yakıt yok Emisyon yok Uzun ömür (30 yıl), Bakım az Modüler, her yere kurulabilir DEZAVANTAJLAR Güneş enerjisi dağınık ve sabit değil Yüksek kurulum maliyeti Büyük güç için yüksek alan gerekir Doğru akım üretilir (inverter gerekir) Enerji depolama maliyetlidir GÜNEŞ PİLİ TÜRLERİ

8 Güneş Pili Türleri I.Tip Güneş Pilleri Tek kristal Si (c-si) (%30) Çok kristal Si (%60) II.Tip Güneş Pilleri (İnce Film) Amorf Si (a-si) (%10) CdTe CuInGaSe 2 (CIGS) 4. Nesil Hibrit: polimer matris içinde inorganik kristaller III. Tip Güneş Pilleri Organik/Polimer güneş pilleri Boyar maddeli güneş pilleri Nanokristal güneş piller Güneş Pili Türleri 1. Nesil: c-si (%30) pc-si (%60) 2. Nesil: İnce film a-si (%10) CdTe

9 Güneş Pili Türleri 3. Nesil: Polimer/Organik GP Güneş Pili Türleri Eklem türüne bağlı olarak güneş pilleri, homo-kavşaklı ve hetoro-kavşaklı olmak üzere iki yapıdadır. p-n kavşağının iki yanı aynı yarı iletkenden oluşan, yalnız katkılama tipi değişen yapılara Homo-kavşaklı (Si), Kavşağın iki yanı farklı ise Hetero-kavşaklı (SnO 2 /CuInSe 2, CdS/Cu 2 S, ZnO/Cu 2 S vb.) denir. Homo-kavşaklı pillerin verimi %10-20, fakat maliyetleri yüksektir. Hetero-kavşaklı pillerin verimleri düşük, maliyet düşüktür.

10 I. ve II. NESİL GÜNEŞ PİLLERİ Çalışma Prensibi n-tipi ve p-tipi yarıiletkenlerin bir araya getirilmesiyle oluşturulan p-n eklemi şeklindedir. Bu bölgede bir elektrik alanı oluşur. Fotonlar (ışık) Si atomlarından valans elektronları koparır ve serbest elektronlar ve delikler oluşturur. Elektron ve delikler p- n eklemindeki elektrik alandan dolayı farklı elektrotlara hareket ederek akım oluşturur.

11

12 Kristal (Mono-krsital) Silisyum Güneş Pilleri Fotovoltaik özellikleri daha üstün başka maddeler de olmakla birlikte, Si hem teknolojisinin üstünlüğü hem de ekonomik nedenlerle tercih edilmektedir. Yarı-kristal Si Güneş Pilleri Bu tip piller, sıvı silisyumun soğutulmasıyla elde edilen kümelenmiş küçük Si kristallerinden oluşur. Ribbon Si Güneş Pilleri Levha Si tabakalarından yapılırlar. Polikristal Si Güneş Pilleri Ribbon Si teknolojisiyle yapılıp, yapıları polikristal özellik gösterir.

13 İnce Film Güneş Pilleri Absorban özelliği daha iyi maddeler kullanılarak daha az kalınlıkta (tek kristalin ü kalınlığında) güneş pilleri yapılır. Güneş radyasyonu 1 mikron kalınlığında amorf Si ile absorblanabilirken, kristal silisyumda ise aynı radyasyonu absorblamak için 500 mikron kalınlıkta malzeme gerekmektedir. Amorf güneş pillerinde daha az malzeme kullanılır. Amorf Si (a-si) Güneş Pilleri p-i-n yapısındaki pillerin üretimi kalay oksitle kaplı iletken yüzeyin üzerine çöktürmeyle yapılır, bu yüzeyin arkası metalle kaplanır. CdTe Si den daha ucuzdur. CIGS (bakır indiyum galyum diselenid) Cam veya paslanmaz çelik yüzeyine ince film olarak kaplanırlar

14 ORGANİK GÜNEŞ PİLLERİ Güneş pillerinde kullanılan organik malzemeler; İletken polimerleri Boyaları, pigmentleri Sıvı kristalleri içermektedir

15 Organik (Polimer) GP Polimer Güneş Pilleri iki iletken arasında organik polimer filmlerin oluşturduğu sistemdir. Güneş ışığı (foton) iki iletken arasında gerilim oluşturur. Işık tarafından elektron ve delik çifti (exciton) oluşturulur ve bunların ayrışmasıyla akım elde edilir. Organik GP Pli yapımı; n-tipi ve p-tipi bölgeler oluşturularak gerçekleşir. Önce eklem bölgesinde elektron-hol çiftleri oluşturulur. Sonra bunlar, alan yardımıyla birbirlerinden ayrılır. Alan, elektronların n-tipi bölgesine, deliklerin p-tipi bölgesine geçmesini sağlar ve akım oluşur.

16 MEH-PPV (donör) PCBM (akseptor) e - alır Güneş ışığı (foton) Organik (Polimer) GP (Polimer)

17 Aktif Tabaka MEH-PPV (Konjuge polimer) ve PCBM (Modifiye fuleren, C 60 ) karışımıdır. MEH-PPV (donör) absorblamadan sorumludur, PCBM (akseptör) ise eksitonların ayrışmasını hızlandırır. MEH-PPV: ((poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])) PCBM: (1-(3-Methoxycarbonylpropyl)-1-phenyl-[6.6]C61) PEDOT-PSS Elektrik alanı arttırıp, güneş pilinin performansını arttırır. Delikleri iletir, elektronları iletmez, kısa devreyi önler.

18 ITO (indiyum kalay oksit) ve Alüminyum Elektrod görevi görürler, iletkendirler, elektrik alan yaratırlar, ITO ayrıca cam gibi geçirgendir (transparan) Cam Destek görevi görür, görünür bölge güneş ışığının absorblamamalıdır. Tek Tabakalı Polimer GP Tek Polimer Tabaka iki elektrot arasına sıkıştırılır. Oluşan elektron-delik çifti bir ara yüzey tarafından ayrıştırılır. Excitonun ayrışmasından sonra delikler yüksek iş fonksiyonuna sahip elektrota (ITO), elektronlar düşük iş fonksiyonlu elektrota (Al) gider ve akım oluşur. Konjuge polimerlerden poliasetilen, politiyofen ve PPV kullanılır.

19 Çift Tabakalı Organik GP Polimerler donor ve akseptör maddelerinin ardışık katmanları şeklindedir. p-tipi polimer foton absorbe eder ve eksiton oluşturulur. Bu eksiton ara yuzde ayrışır. Elektron n-tipi polimere transfer edilir. p-tipi tabaka olarak MEH-CNPPV, MEH-PPV, P3HT, MDMO-PPV ve n-tipi tabaka olarak TiO 2, CdSe kullanılır. Hetero GP Yüksek verimlilik için aktif tabakanın çok ışık absorbe etmesi gerekmektedir. Bir foton absorbe edildiğinde, aktif tabakada exciton oluşur. Oluşan exciton ayrışır ve yükler aktif tabakadan geçerek elektrotlara taşınır.

20 Organik GP ITO (İndiyum kalay oksit) üzerine sırasıyla PEDOT:PSS, P3HT ve aluminyum kaplanır. Fotonlar ITO ve PEDOT katmanlarından geçerek P3HT filmine ulaşır ve exitonlar oluşur. Elektron-boşluk çiftleri ITO ve Al elektrodlarının iş fonksiyonu farkının sebep olduğu alan etkisiyle ayrılır. Elektronlar Al, delikler ITO ya taşınır ve akım oluşur. Organik GP

21 İletken Polimerler İletken polimerin ozelliği ana zincir boyunca konjuge (ardışık) cift bağların olmasıdır. Konjugasyonda, karbonlar arasındaki bağlar değişen tek ve cift bağlarşeklinde dizilmişlerdir. Her bağ kuvvetli sigma (σ) bağı icerir. İlaveten, her cift bağda zayıf ve az lokalize olmuş pi πbağı vardır. Bunlara rağmen, konjugasyon, yeterli değildir. Dopant (katkı) maddeleri eklenerek iletkenliği arttırılır. Dopantlar malzemede elektron ve boşlukların (hole) sayısını arttırır. İletkenlik; redox reaksiyonlarıyla oluşur. Yükseltgeyici ajan p- tipi katkılamaya indirgeyici ajan n-tipi katkılamaya karşılık gelir. Guneş Pili Yapımında Kullanılan Polimerler Phenylene vinylene türevleri poly [2-methoksi-5-(3,7-dimetiloktiloksi)]-1,4-fenilenvinilen) (MDMO-PPV). ((poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])) (MEH-PPV) Thiophene turevleri poli (3-hegziltiyofen) (P3HT), poly (3-metiltiyofen) (P3MeT), poli (3,4-ethilendioksitiyofen): poli (sitren sulfonat) PEDOT:PSS. Fluoren turevleri poli (9,9 -dioktilfluoren-ko-bis-n,n -(4-butilfenil- 1,4-fenilendiamin) (PFB).

22 Fotovoltaiklerde Kullanılan Polimerler!!!!! Fotovoltaiklerde Kullanılan Polimerler

23 Fotovoltaiklerde Kullanılan Polimerler Fotovoltaiklerde Kullanılan Polimerler

24 Fotovoltaiklerde Kullanılan Polimerler Fotovoltaiklerde Kullanılan Polimerler

25 Avantajları Ucuz Üretimi kolay Hafif Daha çevreci Geçirgendir (duvar, pencere, elektronik aletlere uygulanabilir) Dezavantajları Düşük verim (1/3) Fotokimyasal reaksiyonlar sonucu bozunabilir BOYAR MADDELİ GÜNEŞ PİLLERİ (BMGP)

26 Boyar Maddeli GP (BMGP) Bu tip güneş pillerini ışığa duyarlı boya ve yarıiletken oluşur. Fotosentez benzeri bir prensiple çalışmaktadırlar. Klorofil tarafından adsorbe edilen ışınlar yapraklarda glukoz ve oksijene çevirir. BMGP de boyar maddeler yardımıyla enerji üretimi gerçekleştirilir. Işık adsorbe eden boya molekülleri geniş bant aralığı bulunan yarı iletkenlerde değerlik bandından iletkenlik bandına elektron geçişini sağlarlar, akıma neden olur. BMGP de yarıiletken olarak TiO 2, ZnO, SnO 2, CdS, WO 3, Fe 2 O 3, Nb 2 O 5, TaO 5 kullanılabilmektedir. GP de Kullanılan Boyar Maddeler Organik boya esaslı güneş pillerinde kullanılan boya türleri: Polipridiller Porfirinler Ftalosiyaninler Kumarinler Indolinler Konjüge polimerler Perilenler Bunlar arasında nano yapılı TiO 2 organik BMGP de kullanılan Rutenyum kompleks boyaları (N3, N719) ve türevleri yüksek verimlilik nedeniyle önem kazanmıştır.

27 Boyar Maddeli GP Boyar maddeler tüm güneş ışığını absorbe edecek şekilde olması gerekmektedir. TiO 2 yüzeye tutunmayı sağlayacak karboksil ve fosfonat içermeli. Boyar maddenin redoks potansiyeli yüksek olmalıdır. Yani elektrolitten elektron alabilmelidir.

28 Elektrolit (I 3- /I - ): görevi boşluğu (delik) katoda iletmektir. İyonik iletkenlik çok yüksek olmalıdır. Yarıiletken matris (TiO 2 ): görevi boyadan gelen elektronu iletken cama taşımaktır. Boyar madde (Ru-kompleksi): pilin elektron kaynağıdır. Üzerine ışık düşünce valans elektronu iletkenlik bandına geçer. Pt kaplı katod: TCO üzerine kaplanır, Pt reaksiyonu katalizler. İletken Cam-ITO: Cam yüzeyi ITO ile kaplanıp, iletken şeffaf cam elde edilir. Görevi elektik iletimi ve optik saydamlıktır. Çalışma elektrodu (Polipiridin-Ru boya kaplı yarı iletken TiO 2 ), Karşıt elektrot (Pt kaplı cam) Aralarında delik ileten sıvı redoks çifti (I -3 /3I - ) katmanı (ELEKTROLİT). Yapının iki tarafı kalay oksit flor (FTO) kaplanmış iletken ve geçirgen cam ile desteklenmiştir.

29 Boyar Maddeli GP Boyar Maddeli GP

30 Boyar Maddeli GP

31 Boyar Maddeli GP Boyar Maddeli GP Çalışma Prensibi

32 Bio-Güneş Pili Bio-Güneş Pili Fotosentez yoluyla güneş enerjisinden kullanılabilir enerji üreten doğal sistemleri kullanırlar.

33 UYGULAMALAR

34

35

36

37