Fotovoltaik Hücrelerin Çalışma Prensibi ve Fotovoltaik Paneller

Fatih KAYA 01/12/2017 22:37

Merhaba değerli Enerji Mühendisleri Portalı üyeleri ;

Bu yazıda, ‘Fotovoltaik Enerji Sistemleri Temelleri-Yarı İletkenler’ yazısının devamı niteliğinde olan Fotovoltaik Hücrelerin yapısı, çalışma prensipleri ve Fotovoltaik Paneller  ele alınacaktır. Fotovoltaik(PV) Paneller, Fotovoltaik Hücrelerin bir araya gelmesi ile oluşur ve  Güneşten gelen enerjiyi DC elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerden oluşan sistemler olarak tanımlanabilir.

N ve P tipi yarı iletkenler bir araya geldiklerinde,  bağlantı noktalarında yükten arındırılmış boşaltma bölgesi(geçiş veya bağlantı bölgesi olarak da isimlendiren kaynaklar vardır.) oluştururlar. Birleşme ile birlikte  N tipi yarı iletkendeki elektronların bir kısmı P tipi yarı iletkendeki boşluklara doğru,  P tipi yarı iletkendeki boşlukların bir kısmı ise  N tipi yarı iletkene doğru akar. Geçiş bölgesindeki N’nin birleşme yüzeyi (+) P’nin birleşme yüzeyi (-) olur. Ve bir ters gerilim bloğu meydana gelir. Elektron ve boşluk difüzyonu (maddenin çok yoğun olduğu ortamdan az yoğun olduğu ortama dışarıdan iş girişi olmadan kendiliğinden akması.) belirli bir süre gerçekleşir ve geçiş bölgesindeki elektriksel potansiyelin artması ile difüzyon sonlanır.

Şekil 1 P ve N Tipi yarı iletkenlerin bir araya gelmesi ve aralarında boşaltma(geçiş) bölgesi ile oluşturulan fotovoltaik hücre  modeli

Dışarıdan bir etki ile elektron akışı devam ettirilebilir. Fotovoltaik hücrelere dışarıdan etki ise Güneş’ten gelen ışınımla olur. Yani P-N yarı iletkenini ışığa maruz bırakırsa, yarı iletkenin içindeki elektronlar fotonları absorbe (ışığı emme) ederler. Fotonun sahip olduğu enerji elektron bağlarını kırarak  elektronun serbest kalmasını sağlar. Serbest kalan elektron geçiş bölgesinde oluşturulmuş elektrik alanın etkisi ile N-Tipi yarı iletkenin olduğu Bölgeye doğru hareket eder. Buna karşın oluşan boşluk da P-Tipi yarı iletkenin olduğu bölgeye doğru hareket eder.Burada boşluğun hareket etmesi durumu kafada soru işareti bırakabilir. Durum şudur; P-Tipi yarı iletkenin bulunduğu kısımdan kopan elektron P-Tipi yarı iletkene doğru hareket ederken boşlukta elektronun hareketine bağlı olarak zamanla yer değiştirir ve sanki boşlık hareket ediyormuş gibi gözlemlenir. Dışarıdan ışık etkisi ile oluşturulan bu etkiye Fotovoltaik efekt denilir.

Şekil 2  Güneş ışınları Fotovoltaik paneller tarafından absorbe edilerek elektron akışı sağlanır ve DC elektrik enerjisi üretilir.

Yüklerin birbirinden ayrılması ve fotovoltaik hücrelerin kontak bölgesine ulaşması ile gerilim üretilmiş olur. Fotovoltaik hücreler seri bağlanarak gerilimleri paralel bağlanarak ta akımları arttırılır ve bu Fotovoltaik hücrelerin bir araya gelmesi sonucunda Halk arasında güneş paneli olarak isimlendirilen Fotovoltaik paneller oluşturulur. Fotovoltaik  paneli sistem olarak kabul edersek, seri ve paralel bağlamalar sonucunda elde edilen iki farklı kutup ile Fotovoltaik  Panellerin arka yüzlerinde negatif ve pozitif proplar ile sistemden güç çıkışı sağlanır. Fotovoltaik paneller boşta iken elde edilen gerilim değeri, Açık devre voltajı (Voc) ve sisteme bir yük bağlanması sonucu  elde edilen akım değeri kısa devre akımını(Isc) verir. Burada küçük bir hatırlatma yapacak olursak, voltmetre sisteme paralel ve ampermetre de seri bağlanılarak ölçümler yapılır.

Bu yazıda Fotovoltaik hücrelerin iç yapısı ile çalışma prensiplerine değinilerek Fotovoltaik Paneller hakkında bazı bilgiler verilmiştir. Bu konular hakkında belirtilecek olunan bilgiler bunlar olup bundan sonraki yazılarda Fotovoltaik Panel çeşitleri hakkında bilgiler yer alacaktır…

Önümüzdeki yazılarda görüşmek dileği ile…


Fatih KAYA