1 / 73

Güneş Pili Teknolojileri

Güneş Pili Teknolojileri. Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi 2nd Renewable Energy Systems Winter School AFYON. Güneş Pili Teknolojileri. Tarihsel Gelişme Çalışma İlkesi İyileştirme Fiziksel Yapı. Tarihsel Gelişme. Kitab-ı Mukaddes’in “Yaratılış” kısmından:

nasnan
Download Presentation

Güneş Pili Teknolojileri

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Güneş Pili Teknolojileri Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi 2nd RenewableEnergySystemsWinterSchool AFYON

  2. Güneş Pili Teknolojileri • Tarihsel Gelişme • Çalışma İlkesi • İyileştirme • Fiziksel Yapı

  3. Tarihsel Gelişme Kitab-ı Mukaddes’in “Yaratılış” kısmından: • Başlangıçta Tanrı göğü ve yeri yarattı. • Yer boştu, yeryüzü şekilleri yoktu; engin karanlıklarla kaplıydı. Tanrı'nın Ruhu suların üzerinde dalgalanıyordu. • Tanrı, “Işık olsun” diye buyurdu ve ışık oldu. • Tanrı ışığın iyi olduğunu gördü ve onu karanlıktan ayırdı.

  4. Tarihsel Gelişme • 1839: Alexandre-Edmond Becquerel • Işıktan elektrik üretmenin keşfi • 1883: Charles Fritts • Altın-Selenyum kontağı (%1 verim) • 1946: Russell Ohl • Modern güneş pili patenti • 1954: Bell Laboratuvarları • Silisyum güneş pilleri yapımı (%4 verim) • (Kaynak: Wikipedia)

  5. Tarihsel Gelişme • 1958: Peter Iles • İlk uydu için güneş pili yaptı • Çeşitli ülkeler arasında ortak güneş pili araştırması başladı • Silisyum, %6 verim • 1970: Zhores Alferov • GaAs Hetero-eklem güneş pili

  6. Tarihsel Gelişme • 1973-74: Petrol Krizi • Alternatif enerji kaynakları arayışı • Güneş pillerine artan ilgi • Petrol firmaları güneş pili AR-GE ve üretimi yapıyor • Kriz geçtikten sonra ilgi ve AR-GE azalmıştı. • Son yıllarda artan petrol fiyatları, güneş enerjisini ön plana çekti.

  7. Tarihsel Gelişme • 1988: Applied Solar Energy Corp. • GaAs seri üretim (%17 verim) • 1989: Applied Solar Energy Corp. • Ge taban üzerinde GaAs (%19 verim) • 1993: Applied Solar Energy Corp. • İki-eklemli pil seri üretim (%20 verim) • 2000 Üç-eklemli pil (%24 verim) • 2002 Üç-eklemli pil (%26 verim) • 2005 Üç-eklemli pil (%30 verim)

  8. Tarihsel Gelişme • 2012: Yüksek verimli piller üreten iki firma var: • Emcore Photovoltaics (%29.5 uzay, %39 yeryüzü)

  9. 2012: Yüksek verimli piller üreten iki firma var: • Spectrolab Concentrator Cells (CPV)C4MJ 40% Point Focus Solar CellsC3MJ+ 39.2% Point Focus Solar Cells C3MJ 38.5% Point Focus Products Space Cells29.5% NeXt Triple Junction (XTJ) Solar Cells28.3% Ultra Triple Junction (UTJ) Solar Cells26.8% Improved Triple Junction (ITJ) Solar Cells

  10. Tarihsel Gelişme • Birinci nesil güneş pilleri • Silisyum tabanlı (tek kristal) • Tek eklemli • Geniş alanlı • Verim %20’nin altında (Lab şartlarında %27) • Ticari piyasanın %86’sına hakim

  11. Tarihsel Gelişme • İkinci nesil güneş pilleri • İnce film teknolojisi • Taban kafes yapısına uyumlu • Uzay/uydu uygulamalarında yaygın • AM0 şartlarında %28-30 verim • Pahalı • Yeryüzü uygulamalarında • AM0 şartlarında %7-10 verim • Ucuz

  12. Tarihsel Gelişme • İkinci nesil piller (devam) • Silisyum malzeme • Amorf silisyum • Çok kristalli silisyum • Mikro kristalli silisyum • Kadmiyum Tellürid • Bakır İndiyum Selenid • GaAs tabanlı (%37 verim amaçlanıyor) • Esnek tabanlara ince film yapı

  13. Tarihsel Gelişme • Üçüncü nesil güneş pilleri • Çok eklemli • Kuantum noktası • Karbon nano boru • Nanokristal yapı • Elektrokimyasal yapı • Organik yapı • AM0 şartlarında %45 verim hedefleniyor

  14. En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

  15. En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

  16. En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

  17. En Yüksek Verimler (Laboratuarda)

  18. Çalışma İlkesi Işık Tanecikleri (Fotonlar) Elektrik Enerjisi Güneş Pili (Yarıiletken)

  19. Çalışma İlkesi yarıiletkenler yalıtkanlar iletkenler Ge Si GaAs özgül iletkenlik • - Yarıiletkenlerin iletkenliği katkılama ile “ayarlanır.” • Katkılama p veya n tipi olabilir. • Bir parça yarıiletkenin bir kısmı p diğer kısmı n tipi katkılanırsa • pn-eklemi oluşur.

  20. Çalışma İlkesi • Katkısız silisyum • 1 cm3 silisyumda 1022 atom var • Her bir silisyum atomu 4 komşusuyla kovalent bağ oluşturur. • 0 derece Kelvin sıcaklığında bu bağların hepsi tamam • Oda sıcaklığında (300 K) 1.5x1010 valans elektronu bağını koparır ve yapı içinde dolaşabilir. • Kopmuş valans bağa “delik” adı verilir (hole, deşik, boşluk diyenler de var). • Delikler de yer değiştirebilir.

  21. Çalışma İlkesi • Katkısız silisyum • Valans elektronunun bağını koparmak için alması gereken en az enerji = “enerji bant aralığı” • Silisyum bant aralığı 1.12 eV (elektron volt). • Katkılı silisyum • Periyodik cetvel 5. sütun elementleri: n-tipi • Periyodik cetvel 3. sütun elementleri: p-tipi • 1015-1019 cm-3 gibi katkılamalar kolay

  22. Çalışma İlkesi • Yarıiletken yapıya giren bir fotonun enerjisi yeteri kadar yüksek ise, bir valans elektronunun bağını koparabilir (elektron-delik çifti üretme) • Bu şekilde üretilen elektronlar bir tarafta, delikler de karşı tarafta toplanırsa, güneş pili elde edilir. • Toplama için bir elektrik alanı gerekir. • PN ekleminde bu alan kendiliğinden oluşur.

  23. Çalışma İlkesi elektrik alanı fakirleşme bölgesi p - + - + - + - + - + n Aktif bölgede oluşacak elektron-delik çiftleri fakirleşme bölgesine girdiğinde elektrik alanının yardımıyla ayrılarak karşı tarafa geçirilir. aktif bölge

  24. Çalışma İlkesi

  25. Çalışma İlkesi

  26. Güneş Pili Eşdeğer Devresi

  27. Çalışma İlkesi • Akım gerilim ilişkisi karanlıkta i + - v P N i v aydınlıkta

  28. Çalışma İlkesi • Verim = • Neden %100 değil? • Fotonların bir kısmı dışa yansıyor • Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor • Bir kısmının enerjisi az • Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor • Kontak dirençleri/kaçak akımlar Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

  29. Çalışma İlkesi • Güneşten yer yüzüne gelen ışıma ortalama 1000 W/m2 • %10 verimli pillerden oluşan panel varsayalım • 1m2 panel çıkış gücü 100 W/m2 • 100 wattlık ampul yakmak için 1 m2 panel gerekli • 2400 wattlık fırın için 24 m2

  30. Çalışma İlkesi: Gün ışığı içeriği http://wikipedia.org

  31. Çalışma İlkesi: Shockley–Queisser limit http://wikipedia.org

  32. İyileştirme • Verim = • Neden %100 değil? • Fotonların bir kısmı dışa yansıyor • Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor • Bir kısmının enerjisi az • Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor • Kontak dirençleri/kaçak akımlar Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

  33. İyileştirme • Yansımayı önleme • İnce saydam katman http://pveducation.org

  34. İyileştirme • Yansımayı önleme • İnce saydam katman • Titanyum Dioksit • Silisyum Dioksit • Silisyum Nitrat • Spin-on çözeltiler 3SiH4 + 4NH3 Si3N4 + 12H2 http://pveducation.org

  35. İyileştirme • Yansımayı önleme • Tırtıklı yüzey http://pveducation.org

  36. İyileştirme • Yansımayı önleme • Tırtıklı yüzey • Tercihli aşındırıcı http://pveducation.org

  37. İyileştirme • Verim = • Neden %100 değil? • Fotonların bir kısmı dışa yansıyor • Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor • Bir kısmının enerjisi az • Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor • Kontak dirençleri/kaçak akımlar Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

  38. İyileştirme • Aktif bölgeyi ışık gelen yüzeye yakın yapmak elektrik alanı fakirleşme bölgesi Yüzeye yakın katman çok ince olursa, kontaklara giden yolda seri direnç oluşur. Aktif bölgenin geniş olması için yüksek kaliteli yarıiletken kullanmak gerek. p n - + - + - + - + - + Işık aktif bölge Soğrulma

  39. İyileştirme Aktif bölge genişliği = w + Ln + Lp İnce iki katman yeterli  ince film teknolojisi

  40. İyileştirme • Verim = • Neden %100 değil? • Fotonların bir kısmı dışa yansıyor • Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor • Bir kısmının enerjisi az • Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor • Kontak dirençleri/kaçak akımlar Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

  41. Eg İyileştirme • Az enerjili fotonlar soğrulmadan geçiyor Çözüm: Düşük bant aralıklı bir yarıiletken kullanılabilir Yeni sorun: Verim başka nedenlerle düşer (Shockley–Queisser limit) Yoğunluk Eg Dalga Boyu η

  42. İyileştirme • Verim = • Neden %100 değil? • Fotonların bir kısmı dışa yansıyor • Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor • Bir kısmının enerjisi az • Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor • Kontak dirençleri/kaçak akımlar Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

  43. Eg İyileştirme • Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor Çözüm: Yüksek bant aralıklı bir yarıiletken kullanılabilir Yeni sorun: Verim başka nedenlerle düşer (Shockley–Queisser limit) Foton Eg P N η

  44. PN Eg1 Eg2 Eg3 PN PN İyileştirme • Daha iyi bir çözüm: Hem yüksek hem de düşük bant aralıklı yarıiletkenleri birlikte kullanmak • Önce yüksek enerjili fotonlar soğrulsun • Sonra düşük enerjili fotonlar soğrulsun Eg1 > Eg2 > Eg3

  45. PN Eg1 Eg2 Eg3 PN PN İyileştirme • Yeni sorun: Bu katmanları birbirine nasıl bağlayacağız? • Üstüste üretilirse PNPNPN yapısı oluşur ve aradaki eklemler ters kutuplanır. Bu yapı akıma izin vermez. • Yeni Çözüm: Araya yüksek katkılı bölgeler ekleyerek tünel diyodu oluşturmak

  46. İyileştirme Araya yüksek katkılı bölgeler ekleyerek tünel diyodu oluşturmak P++ N++ eklemi E PN Eg1 Eg2 Eg3 EF N++P++ i EC PN EV N++P++ v PN PN diyodu

  47. İyileştirme Elektrik Gücü • Verim = • Neden %100 değil? • Fotonların bir kısmı dışa yansıyor • Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor • Bir kısmının enerjisi az • Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor • Kontak dirençleri/kaçak akımlar Güneşten Gelen Güç

  48. İyileştirme • Çözüm: Kontak dirençleri kontak yüzeyi arttırılarak azaltılabilir • Yeni sorun: Artan kontak yüzeyi ışığı azaltır.

  49. İyileştirme • Çözüm: Kaçak akımları azaltmak için yüzeyi pasif hale getirmek • (Kara gün dostu: Hidrojen) • Yansıma önleyici katman üretirken bu işlem de yapılmış olur. (SixNy:H)

More Related