Fotovoltaik Teknoloji Bölüm 4: Fotovoltaik Teknolojinin Temelleri Fotovoltaik Hücre Fotovoltaik Etki Yarıiletken Fiziğin Temelleri Atomik Yapı Enerji Bandı Diyagramı Kristal Yapı Elektron-Boşluk Çiftleri Katkılama: P-N Kavşağı Dr. Osman Turan Makine ve İmalat Mühendisliği Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
Fotovoltaik Hücre Fotovoltaik hücreler (güneş hücreleri veya pilleri) güneş ışığını direkt olarak elektrik enerjisine çeviren yarıiletken malzemelerdir. Fotovoltaik hücrelerin, yüzeylerine güneş ışınları (foton) geldiğinde uçları arasında elektriksel gerilim oluşur (Fotovoltaik Etki). Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda fotovoltaik hücre seri veya paralel olarak bağlanarak fotovoltaik modüller (paneller) oluşturulur. Güç gereksinimine bağlı olarak fotovoltaik modüller seri veya paralel bağlanarak fotovoltaik dizinleri, dizinlerin birleştirilmesi ile de birkaç Watt dan Mega Watt lık enerji üretim kapasitelerine sahip fotovoltaik sistemler oluşturulabilir. Hücre Modül Dizin Fotovoltaik Sistem
Fotovoltaik Hücre Fotovoltaik hücre, verimleri (yapılarına bağlı olarak) günümüzde %40 seviyelerine kadar yükseltilmiştir. Uygulama koşullarında verimi %15 civarlarına olan fotovoltaik hücre iyi olarak nitelendirilir. Fotovoltaik hücreler, yakın zamana kadar verimleri daha yüksek olan tekli (mono) kristal yapıdaki yarı iletkenlerden yapılıyordu. Mono-Kristal Tane Sınırları Poli-Kristal Amorf Mono-Kristal Tekli (mono) kristal yapıdaki fotovoltaik hücre üretimi oldukça zahmetli ve yüksek maliyetli olduğundan son zamanlarda üretim maliyetini düşürmek amacıyla fotovoltaik hücreler verimleri biraz daha düşük olan çoklu (poli) kristal yapıdaki yarı iletkenlerken yapılmaktadır. Fotovoltaik hücrelerin temel sorunu verimleri değil üretim maliyetleridir.
Fotovoltaik Hücre Fotovoltaik hücre üretiminde kullanılan yarı iletkenlerin bazıları bileşik bazıları elementtir. Fotovoltaik Hücre Üretiminde Kullanılan Yarı iletkenler Silikon (Silisyum) (Si) Germanyum (Ge) Element Galyum Arsenik (GaAs) Kadmiyum Tellür (CdTe) Bakır İndiyum Diselenid (CulnSe 2 ) Kadmiyum Diarsenik (CdAs 2 ) İndiyum Fosfor (In P) Kurşun Sülfür (PbS) Bileşik Silikon, fotovoltaik hücre üretiminde en çok kullanılan yarı iletkendir. Silikon, oksijenden sonra doğada en çok bulunan elementtir.
Fotovoltaik Etki Güneş ışınları foton adı verilen yüklü taneciklerden meydana gelir. Fotonlar, güneş ışınım spektrumundaki farklı dalga boylarına bağlı olarak farklı miktarlarda enerji içerirler. Bir fotonun enerjisi, ışık hızı ve dalga boyuna bağlı olarak Plank Kanunu ile hesaplanır: h : Planck sabiti = 6.63 10-34 Js λ : Dalga boyu (m) c : Işık hızı = 3 x 10 8 (m/s) Atomik düzeyde enerji sıklıkla ev (1eV = 1.6 10-19 J) cinsinden ifade edildiği için dalga boyu birimi μm alınarak Plank Kanunu yukarıdaki gibi yazılabilir.
Fotovoltaik Etki Bir fotovoltaik hücrede güç dönüşümünün gerçekleşebilmesi için, yarı iletken malzemenin yasak bant enerjisine (E g ) eşit veya daha yüksek bir fotonun hücre tarafından soğrulması gerekir. = E g Yarı iletken malzeme içerisinde valans bandında bulunan bir elektronun, yarı iletken malzemenin yasak bant enerjisine (E g ) eşit veya daha yüksek bir foton ile karşılaşarak iletim bandına geçmesi sonucu elektron-boşluk çifti oluşmasına fotovoltaik etki adı verilir. Elektron-boşluk çifti fotovoltaik hücredeki enerji dönüşümünün temelini oluşturur.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri Fotovoltaik hücredeki enerji dönüşümünü anlayabilmek için yarıiletken fiziği hakkında bilgi sahibi olmak gerekir. Elektrik enerjisinin oluşturulmasını ve kontrol edilmesini maddenin atomik yapısı belirler. Atomik yapıya bağlı olarak elementler; Elementler İletken Yarıiletken Yalıtkan Yarı iletken fiziğini incelemek için temel atomik yapının bilinmesi gerekir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı Tüm maddeler (yada elementler) atomlardan oluşur. Yeryüzünde bilinen 109 element vardır. Bütün elementlerin atomik yapıları birbirlerinden farklıdır. Bohr Atom Modeline göre atom; elektron, proton ve nötron olmak üzere üç temel parçacıktan oluşur. Atomik yapıda; nötron ve proton merkezdeki çekirdeği oluştururlar. Elektronlar ise, çekirdekler etrafındaki sabit yörüngelerde dolaşırlar. proton nötron elektron + yüklü Nötr yüklü
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı Bilinen bütün elementleri birbirlerinden ayıran en temel özellik, atomlarında bulunan proton ve nötron sayılarıdır. Her bir atomun proton ve nötron sayıları farklıdır. Proton ve elektron sayıları eşit olan atomlar, elektriksel açıdan kararlı (nötr) olan atomlardır. Atom Ağırlığı (Kütle Numarası) = Proton sayısı + Nötron sayısı Atom Numarası = Proton sayısı Periyodik Tablo
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı Enerji Kabukları (Bantları) ve Yörüngeler Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıklardadır. Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerin belirli enerji seviyelerine sahiptirler. Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki elektronlar dan daha az enerjiye sahiptir. L K
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı Enerji Kabukları (Bantları) ve Yörüngeler Yörüngeler, kabuk (shell ) adı verilen belirli enerji bantlarında toplanmışlardır. Aynı Enerji Bandı içerisinde bulunan elektronların enerji seviyeleri birbirine yakındır. Enerji Bantlar arasındaki enerji seviyeleri arasındaki fark büyüktür. Enerji Bantları arasındaki bölge, yasak bölge (ya da yasak bant) olarak adlandırılır. Elektronlar bu bölgelerde bulunmazlar. 2n 2 n: kabuk sayısı L K
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı Valans Elektronları Atomun, en dıştaki kabuğuna Valans Bandı denir. Valans Bandında bulunan elektronlara valans (serbest) elektronları denir. Valans elektronları atomun en yüksek enerji seviyeli elektronlarıdır. Bu durum, valans elektronları, atomdan ayrılmaya daha eğimli hale getirir. Valans elektronları maddelerin iletkenlik özelliğini belirler. L K
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Enerji Bandı Diyagramı Yasak Bant Enerjisi Yasak Bant Enerjisi Bir atomda, en yüksek enerji seviyesine sahip bant iletim bandıdır. Esasen, iletim bandındaki elektron yoğunluğu maddelerin iletkenlik düzeyini belirler. Elektronların bulunabileceği enerji seviyeleri arasındaki boşluk yasak bant olarak adlandırılır. Bir elektronun valans bandından iletim bandına geçebilmesi için sahip olması gereken enerjiye yasak bant enerjisi (E g ) adı verilir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Enerji Bandı Diyagramı Yasak Bant Enerjisi Yasak Bant Enerjisi
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Enerji Bandı Diyagramı SORU: Neden Fotovolataik hücre üretiminde iletkenler ve yalıtkanlar kullanılamaz? Cevap : Yasak Bant Enerji Yasak Bant Enerjisi Yasak Bant Enerjisi
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Enerji Bandı Diyagramı Fotovoltaik Hücre Üretiminde Kullanılan Yarıiletkenlerin Yasak Bant Enerjileri (E g ) Yarıiletken Malzeme E g (ev) Silikon (Silisyum) (Si) 1.1 Germanyum (Ge) 0.7 Galyum Arsenik (Ga As) 1.4 Kadmiyum Tellür (CdTe) 1.4 Indiyum Fosfor (In P) 1.2 Kadmiyum Diarsenik (CdAs 2 ) 1.0
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Kristal Yapı Yarıiletken malzemeler kristal yapıya sahiptir. Yani atomlar kendini tekrar eden düzenli bir dizilim gösterirler. Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağlarla bağlanırlar. Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkileşimi sonucu meydana gelir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Kristal Yapı Her silikon atomu, kendisine komşu diğer 4 atomun valans elektronları kullanarak şekildeki gibi bir yapı oluşturur. Bu yapıda her atom, 8 valans elektronunun oluşturduğu etki sayesinde kimyasal kararlılık sağlar. Bu nedenle saf silikon kristali yalıtkan özellik gösterir. Her bir silikon atomunun valans elektronu, komşu silikon atomunun valans elektronu ile paylaşımı sonucunda kovalent bağ oluşur.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çiftleri E g = 1.1 ( ev ) Bu bölümde, enerji bantları arasında elektronların nasıl yönlendiklerini inceleyeceğiz. Şekilde, dışarıdan herhangi bir enerji ile uyarılmamış (durgun) silikon kristalinin enerji bant diyagramı gösterilmiştir. Silikon (silisyum) kristalinin valans bandında 4 elektron bulunur. Silikon (silisyum) kristali, durgun halde, iletim bandında elektron bulunmaz. Bu nedenle yalıtkan özellik gösterir. Silikon (silisyum) yarıiletkeninin yasak bant enerjisi E g = 1.1 ev tur.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çiftleri E g = 1.1 ( ev ) Foton Enerjisi Foton Enerjisi Silikon (silisyum) yarıiletkeninin valans bandında bulunan bir elektron E g = 1.1 ev değerinden daha büyük bir enerjiye sahip bir foton ile karşılaştığında, arkasında pozitif yüklü bir boşluk (hole) bırakarak iletim bandına geçer. Elektronlar iletim bandının alt tarafında, boşluklar ise iletim bandının üst tarafında kümelenirler.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çiftleri E g = 1.1 ( ev ) Foton Enerjisi Foton Enerjisi Uyarılmış olan elektronlar ve boşluklar çok kısa bir süre içerisinde (10-12 s) enerjilerini kaybederler. Neticede, her bir elektron, yasak bant enerjisine eşit foton enerjisini kaybederek tekrar valans bandındaki boşluklarla birleşirler. Elektronların iletim bandında kaldıkları süreye ömür süresi (life time) adı verilir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çiftleri E g = 1.1 ( ev ) Foton Enerjisi Foton Enerjisi Eğer, iletim bandına çıkmış olan elektronlar, ömür süreleri içerisinde boşluklardan (yani artı yüklerden) bir şekilde ayrılmazlar ise, elektriksel akıma yani fotovoltaik hücredeki enerji dönüşümüne katkısı olmayacaktır. Yani bu durumu şöyle düşünebiliriz; elimizde bulunan sudaki hidrojenden faydalanmak istiyorsak onu mutlaka bir şekilde (elektroliz gibi) oksijenden ayırmamız gerekir ki kullanalım. Fotovoltaik hücrede, elektron-boşluk çiftinin ayrılmasını temin edecek kuvvet elektrik alanıdır. Gerekli olan bu elektriksel alan, katkılama adını verilen, elektriksel iletkenlik karakteristikleri birbirlerinden farklı olan yarıiletkenlerin bir araya getirilmesi ile sağlanır.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çifti Saf (herhangi bir katkılama yapılmamış) Silikonun bir kısmına gerilim uygulandığında Şekilde görüldüğü gibi, iletim bandındaki serbest elektronların negatif uçtan pozitif uca hareket ederler. Saf Silikonun içerisindeki tıpkı negatif yüklü elektronlar gibi pozitif yüklü boşluklarda hareket ederler. Silikon kristali içerisinde Valans bandındaki elektronlar rahatlıkla komşu bir boşluğa taşınarak bir boşluktan diğerine hareket edebilir. Böylece, kristal yapı içerisindeki boşluklarda (elektronların hareketinin tersi yönde) hareket etmiş olacaktır. Silikon içerisindeki elektron ve boşluk hareketi (akışı)
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çifti Bir fotonun, silikon yarıiletkeni içerisinde bir adet elektron-boşluk çifti oluşturabilmesi için sahip olması gereken maksimum dalga boyu değeri belirlenerek, foton enerjisi-dalga boyu grafiği çizilebilir. Foton enerjisi-dalga boyu grafiği kullanılabilir ve kayıp enerji miktarlarının tespiti açısından önemlidir. Silikon için : E g = 1.12 ev
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çifti
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping) Katkılama (doping), saf yarıiletken malzemeye, yapısal özelliklerini bozmayacak oranda, katkı maddesi eklenerek, elektriksel özelliklerinin kontrollü bir şekilde değiştirilmesi işlemidir. Bir fotovoltaik hücre, yasak bant enerjisinden daha yüksek enerji içeriğine sahip fotonlar tarafından tahrik edildiği sürece, yarıiletken malzeme içerisinde elektronboşluk çiftlerinin oluşumu devam eder. Buradaki temel problem, elektron ve boşlukların yeniden birleşmesi neticesinde, yük taşıyıcılarının enerji dönüşümünü tamamlayamadan ortadan kaybolmasıdır Yeniden birleşmenin önüne geçebilmek için, iletim bandındaki elektronları, boşluklardan uzak tutacak bir kuvvete ihtiyaç duyulur. Bu kuvvet, yarıiletken malzeme içerisinde oluşturulan bir elektriksel alan ile temin edilir. Söz konusu elektriksel alan, elektronları ve boşlukları zıt yönlere doğru iterek yeniden birleşmeye engel olur. Yarıiletken malzeme içerisinde elektriksel alan oluşturabilmek için, kristal içerisinde iki farklı bölge meydana getirilir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping) P-tipi Malzeme Bölgelerden biri, saf silikon kristaline periyodik tablonun 3A grubunda yer alan bir elementin, çok düşük konsantrasyonlarda ilave edilmesiyle oluşturulur. Bu katkılama işlemi sonucunda P-tipi yarıiletken oluşur. N-tipi Malzeme Diğer bölge ise yine saf silikon kristaline, bu sefer periyodik tablonun 5A grubunda bulunan bir elementin eklenmesi neticesinde meydana getirilir. Bu katkılama işlemi sonucunda N-tipi yarıiletken oluşur.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping) p -tipi Malzeme Silikon kristali içerisine, 3A grubundan Bor ilave edilirse, Borun 3 adet valans elektronu ile silisyum 4 adet valans elektronu, kendi aralarında kovalent bağ yapar ve silikon atomuna ait bir valans elektronu boşta kalır. Silikon atomunun boşta kalan valans elektronu, komşu Bor atamonda bulanan boşluğu doldurur. Böylece, silikonun kristal yapısı içerisinde 1 elektron eksikliği meydana gelmiş olur. Yarıiletken kristalinden elektron alarak elektron ihtiyacına neden oldukları için, bu atomlara akseptör (alıcı) atom adı verilir. B atomundan oluşan boşluk Silikon kristali içerisinde akseptör atomlarının yer aldığı bölgede boşluk fazlalığı olduğu için bu bölüm p - tipi malzeme olarak isimlendirilir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping) n -tipi Malzeme Silikon kristali içerisine, periyodik tablonun 5A grubunda yer alan Fosfor ilave edilirse, fosforun 5 adet valans elektronu ile silisyum 4 adet valans elektronu, kendi aralarında kovalent bağ yapar. Fosforun beşinci valans elektronu kristal içerisinde serbest kalır. Kristale fazladan elektron bıraktığı için bu atomlara donör (verici) atom adı verilir. Silisyum kristali içerisinde donör atomlarının yer aldığı bölgede elektron fazlalığı olduğu için bu bölüm ise n -tipi malzeme olarak isimlendirilir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping): p - n Junction (Kavşağı) Elektron eksikliği (yada boşluk fazlalığı) olan p -tipi malzeme ile elektron fazlalığı olan n -tipi malzemenin birleştirildikleri sınıra p-n junction (kavşağı) adı verilir. p-n kavşağı bir elektriksel alan oluşmasını sağlar. Oluşan bu elektriksel alan, n-tipi malzemenin kavşağa yıkın bölgelerindeki hareketli elektronlarının, arkalarında pozitif yüklü boşluklar bırakarak, p - tipi malzemeye geçmelerine sebep olur. Sınırı geçerek p-tipi malzeme içerisine gelen elektronlar kavşağa yakın bölgede bulunan boşluklara yerleşirler. P-N Junction
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping): p - n Junction (Kavşağı) P-n kavşağındaki elektron ve boşluk hareketi denge durumu elde edilinceye kadar devam eder. Denge durumuna ulaşıldığında deplasyon bölgesi adı verilen bir tabaka oluşur. Deplasyon bölgesi, boşlukları p tipi malzemeye, elektronları ise n- tipi malzemeye iterek, elekron ve boşluk hareketini engeller (bu yüzden yükten arındırılmış bölge olarakta isimlendirilir). Böylece, fotovoltaik hücrede enerji dönüşümünün temel problemi olan, elektron ve boşlukların yeniden birleşmesi önlenmiş olur. Elektrik alan (potansiyel engel) Deplasyon Bölgesi
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping): p - n Junction (Kavşağı) P-N Junction (Kavşağı) Elektrik alan (potansiyel engel) Deplasyon Bölgesi