Fotovoltaik Olay nedir?
Fotovoltaik, ışığın atomik düzeyde doğrudan elektriğe dönüştürülmesidir. Bazı malzemeler, ışık fotonlarını emmelerine ve elektronları serbest bırakmalarına neden olan fotoelektrik etki olarak bilinen bir özellik sergiler. Bu serbest elektronlar yakalandığında, elektrik olarak kullanılabilecek bir elektrik akımı oluşur.
Fotoelektrik etki ilk olarak 1839’da Fransız fizikçi Edmund Bequerel tarafından not edildi ve bazı malzemelerin ışığa maruz kaldıklarında az miktarda elektrik akımı ürettiğini keşfetti. 1905’te Albert Einstein, ışığın doğasını ve fotovoltaik teknolojinin dayandığı fotoelektrik etkiyi tanımladı ve daha sonra fizikte Nobel ödülü kazandı. İlk fotovoltaik modül, 1954 yılında Bell Laboratories tarafından yapıldı. Güneş pili olarak faturalandırıldı ve yaygın kullanım için çok pahalı olduğu için çoğunlukla sadece bir meraktı. 1960’larda uzay endüstrisi, uzay aracında güç sağlamak için teknolojiyi ilk ciddi şekilde kullanmaya başladı. Uzay programları sayesinde teknoloji ilerledi, güvenilirliği sağlandı ve maliyet düşmeye başladı. 1970’lerdeki enerji krizi sırasında, fotovoltaik teknoloji, uzay dışı uygulamalar için bir güç kaynağı olarak kabul gördü.
Yukarıdaki diyagram, güneş pili olarak da adlandırılan temel bir fotovoltaik hücrenin çalışmasını göstermektedir. Güneş pilleri, mikroelektronik endüstrisinde kullanılan silikon gibi aynı türden yarı iletken malzemelerden yapılır. Güneş pilleri için, ince bir yarı iletken levha, bir tarafı pozitif, diğer tarafı negatif olan bir elektrik alanı oluşturmak üzere özel olarak işlenir. Işık enerjisi güneş hücresine çarptığında, yarı iletken malzemedeki atomlardan elektronlar kopar. Elektrik iletkenleri pozitif ve negatif taraflara bağlanarak bir elektrik devresi oluşturursa, elektronlar bir elektrik akımı, yani elektrik şeklinde yakalanabilir. Bu elektrik daha sonra ışık veya elektrikli alet gibi bir yüke güç sağlamak için kullanılabilir.
Birbirine elektriksel olarak bağlı ve bir destek yapısına veya çerçeveye monte edilmiş bir dizi güneş piline fotovoltaik modül denir. Modüller, ortak bir 12 voltluk sistem gibi belirli bir voltajda elektrik sağlamak için tasarlanmıştır. Üretilen akım doğrudan modüle ne kadar ışık düştüğüne bağlıdır.
Bir dizi oluşturmak için birden fazla modül birbirine bağlanabilir. Genel olarak, bir modülün veya dizinin alanı ne kadar büyük olursa, o kadar fazla elektrik üretilecektir. Fotovoltaik modüller ve diziler, doğru akım (dc) elektrik üretir. Gerekli herhangi bir voltaj ve akım kombinasyonunu üretmek için hem seri hem de paralel elektrik düzenlemelerinde bağlanabilirler.
Günümüzün en yaygın PV cihazları, bir PV hücresi gibi bir yarı iletken içinde bir elektrik alanı oluşturmak için tek bir bağlantı veya arayüz kullanır. Tek bağlantılı bir PV hücresinde, yalnızca enerjisi hücre malzemesinin bant aralığına eşit veya daha büyük olan fotonlar bir elektrik devresi için bir elektronu serbest bırakabilir. Başka bir deyişle, tek bağlantılı hücrelerin fotovoltaik tepkisi, güneş spektrumunun enerjisi soğurucu malzemenin bant aralığının üzerinde olan kısmı ile sınırlıdır ve daha düşük enerjili fotonlar kullanılmaz.
Bu sınırlamayı aşmanın bir yolu, bir voltaj oluşturmak için birden fazla bant aralığına ve birden fazla bağlantıya sahip iki (veya daha fazla) farklı hücre kullanmaktır. Bunlara “çok bağlantılı” hücreler (“kademeli” veya “tandem” hücreler de denir) denir. Çok bağlantılı cihazlar, ışığın enerji spektrumunun daha fazlasını elektriğe dönüştürebildikleri için daha yüksek bir toplam dönüştürme verimliliği elde edebilirler. Aşağıda gösterildiği gibi, bir çok bağlantılı katmanlar, azalan bant aralığı sırasına göre bireysel tek bağlantılı hücrelerin bir yığınıdır. Üst hücre, yüksek enerjili fotonları yakalar ve kalan fotonları alt bant aralığına sahip hücreler tarafından emilmek üzere geçirir. Günümüzde çok bağlantılı hücrelerdeki araştırmaların çoğu, bileşen hücrelerin biri (veya tümü) olarak galyum arsenide odaklanmaktadır. Bu tür hücreler, konsantre güneş ışığı altında yaklaşık %35’lik verimliliğe ulaşmıştır. Çok eklemli cihazlar için incelenen diğer malzemeler amorf silikon ve bakır indiyum diselenid olmuştur.
Örnek olarak, aşağıdaki çok bağlantılı cihaz, hücreler arasındaki elektron akışına yardımcı olmak için galyum indiyum fosfitten bir üst hücre, “bir tünel bağlantısı” ve galyum arsenitten bir alt hücre kullanır.
