Fotovoltaik Enerji Sistemlerinin Temelleri- Yarı İletkenler

Fatih KAYA 26/11/2017 10:27

Merhaba değerli Enerji Mühendisleri Portalı üyeleri ;

Son   yıllarda   özellikle   fosil   yakıtların   çevreye   olan  zararları  ve   bu   tür  enerji kaynaklarının gittikçe azalmasıyla beraber, küresel ısınma ve iklim değişiklikleri sebebiyle temiz

enerji kaynaklarına duyulan gereksinim giderek artmıştır. Günümüzde Üzerinde en çok  AR GE çalışması yapılan konulardan biriside halk dilinde Güneş Paneli olarak da bilinen  Fotovoltaik Enerji Sistemleridir. Fotovoltaik Enerji Yarı iletkenlerin bazı özellikleri kullanılarak yapılan enerji üreten teknojidir.

Peki Yarı İletken Nedir?

Yarı iletkenler son yörüngesinde 4 elektron bulunan elementlere verilen özel isimdir.Son yörüngesinde 4 elektron bulunduran elementlerin özelliği normal şartlarda yalıtkan özelliği gösteren, dışarıdan iş girişi ile iletken duruma geçerler. Atomlarında dublet ve oktet duruma gelme özelliği göz önünde bulundurulduğunda son yörüngesinde 1, 2 ve 3 elektron bulunduran  atomlar bu elektronları vererek, son yörüngesinde 7,6 ve 5 elektron bulunduran atomlarda son yörünge orbitallerini tamamlayacak kadar elektron alırlar. Fakat sön yörüngesinde 4 elektron bulunuran yarı iletken atomların elektron verme eğilimleri ile elektron alma eğilimleri eşittir.

Şekil-1 4A Grubu elementleri Karbon(C), Silisyum(Si), Germanyum(Ge), Kalay(Sn) ve Kurşun(Pb) [1]

Fotovoltaik hücre yapımında yarı iletkenler grubunda  silisyum atomu kullanılır. Silisyum atomunun kullanılmasının en büyük nedeni doğada bol miktarda bulunuyor olmasıdır. Silisyum atomu sahilde kumsallarda bol miktarda bulunurlar. Ülkemizin üç tarafının denizlerle çevrili olması ve bol miktarda sahillere ve kumsallara sahip olmamız bizlere bu teknolojinin ham maddesinin Ülkemizde bol miktarda bulundurduğunu getirebilir. Fakat silisyum atomu doğada saf halde bulunmazlar, belirli işlemlerle saflaştırılarak fotovoltaik hücre yapımında kullanılırlar. Bu nedenle Ülkemizde Fotovoltaik hücre üretimi Ülkemizde seri üretime geçirilememiş yurt dışından ithal edilen hücreler birleştirilerek Fotovoltaik paneller (Güneş paneli) üretilmektedir.

Bir yarı iletken kendiliğinden belirli bir miktar iletkenliğe sahiptir ancak biz bu yarı iletken kristallerinin içerisine çok az miktarda (bir milyonda bir) kirlilik atomları katarak iletkenliklerini yaklaşık bir milyon kat artırabiliriz. Yarı iletkenler katkılandıkları malzemelere göre ikiye ayrılırlar, eğer yarı iletken kristal yapısının içerisine Bor (B) gibi son yörüngesinde 3 elektron bulunduran atomlar ile katkılanırsa P tipi katkılanmış yarı iletken,
Arsenik (As) gibi son yörüngesinde 5 elektron bulunduran atomlar ile katkılanırsa N tipi yarı iletken olarak adlandırılır. Yani basit bir dille Silisyum (Si) atomuna Bor (B) atomu katkılayarak P tipi, Arsenik (As) atomu katkılayarak da N Tipi yarı iletken elde edilmiş olur.

P tipi ve N Tipi yarı iletkenleri daha net bir şekilde açıklayacak olursak;

1.1  P-Tipi Yarı İletken:

Silisyum kristal atomlarının içerisine çok az miktarda Bor (B) atomu katılmasıyla elde edilen yarı iletken malzemedir. Bildiğimiz gibi Bor atomunun son yörüngesinde 3 elektron bulunmaktadır ve buda bor atomunun 3 bağ yapabileceği anlamına gelir, ancak silisyumun son yörüngesinde 4 elektron vardır ve silisyum 4 bağ yapar. Biz silisyum kristal atamlarının içerisine bor atomunu katkılarsak bor son yörüngesindeki 3 elektronla silisyuma bağlanır ancak kristal diziliminde bir tane silisyum atomunun karşılığına elektron gelmez doğal olarak o bölgede kovalent bağ oluşumu gerçekleşmez ve bir boşluk oluşur, bu boşluk elektron bulduğu anda hemen bağ kurar ve 4. bağı tamamlamış olur

Şekil-2  (a) Silisyum ve bor atomu birleşimi ile elde edilen p-tipi yarı iletken,(b) Arsenik atomu ile silisyum atomunun bir araya gelmesi ile oluşan n-tipi yarı iletken..[2]

1.2   N-Tipi Yarı İletkenler:

Silisyum kristal atomlarının içerisine çok az miktarda Arsenik (As) atomu katılmasıyla elde edilen yarı iletken malzemedir. Bildiğimiz gibi Arsenik atomunun son yörüngesinde 5 elektron bulunmaktadır ve buda arseniğin atomunun 5 bağ yapabileceği anlamına gelir, ancak silisyumun son yörüngesinde 4 elektron vardır ve silisyum 4 bağ yapar. Biz silisyum kristal atomlarının içerisine arsenik atomunu katkılarsak arsenik son yörüngesindeki 4 elektronla silisyuma bağlanır ancak arseniğin 1 elektronu açıkta kalır ve bu elektronda elektriksel iletime katılır, bu şekilde iletkenlik artırılmış olur.

Yarı iletken malzemeler bu şekilde yapılan katkılamalarla  iletkenlikleri yaklaşık olarak bir milyon kat artırılabilir. ‘Fotovoltaik Hücre Teknolojisi’ isimli yazımda da bahsedeceğim üzere iletkenlikte meydana gelen bu artış Hücreden elde edilecek enerji miktarını da arttıracaktır.

Fotovoltaik Teknolojisi Temelleri- Yarı İletkenler yazım hakkında söyleyeceklerim bu kadar başka yazılarda görüşmek dileği ile…

Kaynaklar:

[1] http://slideplayer.biz.tr/slide/10375623/

[2] www.kenanunal.com


Fatih KAYA