Günlük yaşamdaki enerji ihtiyacı günden güne artmakta ve yavaş yavaş da olsa yer altı kaynaklarımızda artık bu ihtiyacı karşılamayacak duruma gelmektedir ayrıca fosil yakıt tüketiminin doğaya ne derece zarar verdiği artık herkes tarafından kabul görüyor. Hal böyleyken gözler yenilenebilir enerjiye çevrilmiş durumda. Yenilenebilir enerji arasında yer alan güneş enerji sistemleri şimdi ve gelecek için oldukça önemli bir değere sahiptir. Çünkü sevgili Güneş’teki enerji bitecek tükenecek türden değil. En azından 10 milyar yıl içinde tükenmeyecek- Eğer biraz daha sabırlı olup yazıyı sonuna kadar okursanız bugün güneş enerjisini kullanmak için yapılan güneş hücresinin yapım aşamalarından ilk iki aşaması hakkında temel bir bilgi birikimine sahip olacaksınız. İlk aşama ingot (kütük) ve ikinci aşama da wafer (yonga)’dır. E o zaman başlayalım…
Güneş enerjisini bizim kullanabileceğimiz bir enerjiye yani elektrik enerjisine çeviren fotovoltaik sistemden başlayalım. “Foto” kelimesi Yunanca ’da “phos” yani ışık anlamına gelmektedir, “volt” kelimesi de voltaik pili icat eden Alessandro Volta’dan gelmektedir. Aslında “Fotovoltaik” derken “ ışık elektriği” dediğimizi de aklımızın bir köşesinde tutalım. Fotovoltaik güneş hücreleri fotovoltaik ilkeye bağlı olarak çalışmaktadırlar. Bir güneş hücresini üretmek için genelde kullanılan ham madde kaynağı, doğada çokça bulunan silisyumdur. Doğada bulunan kuartz ya da kum mükemmel bir silisyum kaynağıdır. Ancak silisyumun güneş hücremizi daha çok verimlilikte çalıştırabilmesi için silisyum saflaştırılması gerekir. Silisyum dioksit (SiO2) kök kömür ile (grafit) Ark fırınında (Şekil-1) tepkimeye girdirilerek Si+CO2 elde edilir.
(Meraklılar için: Bu kısımda gereğinden fazla karbon kullanılırsa silisyum karbür (SiC)oluşur.)
SiO2 + C → Si + CO2
Bu saflaştırma güneş hücreleri için yeterli gelmez ve iki tepkime daha gereklidir. Bu tepkimelerden ilki HCl ile tekrardan bir saflaştırma işlemi yapılmasıdır. Bu işlem yüksek sıcaklıklarda gerçekleşir. Bu saflaştırma işleminde saf olmayan metaller ve tuzlar dışarı atılmış olur.
Si + 3 HCl ⇌ HCl3Si + H2
İkinci kez H2 ile tepkimeye sokularak saf Si elde edilmiş olur. Son işlemde çok yüksek dereceli sıcaklıklar civarında gerçekleşir.
HCl3Si + H2 ⇌ Si + 3 HCl
Bu işlemler sonucu silisyum kontrolsüz bir şekilde soğutulduğundan çoklu kristal (poly-crystal) yapıya sahip olur.
Tek kristal güneş hücresi yapmak için ise Czochralski yöntemi ile elde edilen tek kristal kullanılır. Czochralski işlemi, tek kristal yarı iletkenleri üretmek için kullanılan bir kristal büyütme yöntemidir. Czochralski (Cz) Yöntemi aynı zamanda “kristal çekme” veya “eriyikten kristal çekme” yöntemi olarak da bilinir. Czochralski işlemi ile büyütülen tek kristal silisyum (mono-Si), çoğunlukla tek kristal Czochralski silisyum (Cz-Si) olarak adlandırılır. Sistemi kısaca anlatmak gerekir ise, Bir çubuğa yapışık kristal (tohum kristal), aynı maddenin eriyiğine batırılır. Eriyik halde bulunan madde kuvars potada bulunur. Batırılan tohum döndürülerek aynı anda yukarı çekilir ve ingot oluşmuş olur.
İngot yapım aşamasında katkı işlemi gerçekleşir. Bu işlem güneş hücresindeki p-n eklemi için gereklidir.
Silikon atomlarında 4 adet valans elektron bulunmaktadır ve bu elektronlar diğer silikon atomları ile bağ kurarlar. Tüm Si atomları mükemmel şekilde hizalandığı için bu yapıya kristal denmektedir. Bu kristal yapıyı farklı atomları katkı yaparak n-tipine veya p-tipine dönüştürebiliriz. Bor atomunun valans bandında 3 elektron vardır. Si atomu yerine B atomu eklediğimizde, B atomu ile Si atomu arasındaki bir bağ çok zayıf olacaktır. Bu yapıdaki mükemmel simetriyi tamamlamak için kristalin dışarıdan bir elektron yakalaması hedeflenecektir. Eğer kakılama Bor atomu ile yapılırsa p-tipi bir ingot üretilir. Peki, Bor yerine Fosfor kullanılırsa ne olur? Fosfor atomunun 5 valans elektronu vardır. P atomu Si kafesine yerleştirildiğinde, 4 elektron komşu Si atomları ile bağ kurabilecektir. Ancak 5. elektron açıkta kalacak böylece neredeyse serbest olacağı için iletim bandına çok yakın bir enerji seviyesinde olacaktır. Fosfor atomu ile katkı yapılırsa n-tipi bir ingot üretilmiş olur.
Güneş paneli üretimi 4 aşamada gerçekleştirilmektedir, bu yazıda ilk iki aşama olan ingot ve wafer üretimi anlatılmaya çalışıldı. Burada anlatılmayan diğer iki aşama ise hücre ve modül (panel) aşamalarıdır. Bir sonraki yazılarımızda da diğer iki aşamaya yer verilecektir.
KAYNAK
- ÖZTÜRK, H. K., & KARADAVUT, A. TAM HÜCRELİ FOTOVOLTAİK MODÜLLERİN MATEMATİKSEL MODELLENMESİ.
2. Wikimedia projelerine katkıda bulunanlar. (2005, June 18). Silisyum – Vikipedi. Retrieved from https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Silisyum&oldid=27640370
3. Wikimedia projelerine katkıda bulunanlar. (2018, January 18). Elektrik ark ocağı – Vikipedi. Retrieved from https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Elektrik_ark_oca%C4%9F%C4%B1&oldid=27366376
4. Contributors to Wikimedia projects. (2021, December 14). Czochralski method – Wikipedia. Retrieved from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Czochralski_method&oldid=1060220550
5. Wikimedia projelerine katkıda bulunanlar. (2014, September 09). Wafer – Vikipedi. Retrieved from https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Wafer&oldid=24334181
6. Kalyon PV – Teknoloji. (2022, February 07). Retrieved from https://kalyonpv.com/teknolojimiz.html#1
Görseller için:
- http://www.tamcelikltd.com/tr/Index.asp
- https://en.wikipedia.org/wiki/Czochralski_method
- https://en.wikipedia.org/wiki/Czochralski_method
- https://kalyonpv.com/teknolojimiz.html#1
- http://gunam.metu.edu.tr/solar-tech/pv-working-principles/
- http://gunam.metu.edu.tr/solar-tech/pv-working-principles/
- http://gunam.metu.edu.tr/solar-tech/pv-working-principles/
- https://www.nikon.com/products/semi/technology/story02.htm