Güneş Paneli Nasıl Üretilir?

Fotovoltaik güneş pilleri, güneş ışığını elektriğe dönüştüren hücrelerdir. Silisyum atomu, doğada fazlaca bulunur, atom numarası 14 olan ametal ve yarı iletken bir malzemedir. Silisyum güneş ışınları ile etkiye geçerek akım üretmesi “fotovoltaik etki” olarak bilinir. Bu hücreler, enerji ihtiyacına göre birleştirilerek: hesap makineleri, telekomünikasyon, evler, aydınlatma, pompalama ve tıbbi soğutma gibi birçok yerde kullanılmaktadır. 

Güneş Pilinin Tarihçesi

Elektrik, elektriğin depolanması ve güneşten elektrik üretilmesi, 1839 gibi erken bir tarihte araştırılmaya başlanıldı. Antoine-Cesar Becquerel kimyasal bir bataryayı, Güneş ışınlarına maruz bırakarak voltaj ürettiğini gördü. Bu üretimin verimlilik oranı yüzde bir oranını aşamadı. 1873’te Willoughby Smith, selenyumun ışığa duyarlı olduğunu keşfetti; 1877’de Adams ve Day, selenyumun ışığa maruz kaldığında bir elektrik akımı ürettiğini tespit etti. 

Albert Einstein’ın 1905’teki fotoelektrik etkisinin açıklaması ile yarı iletken olan Silisyum atomu üzerinde çalışmalar uzun bir aradan sonra Gordon Pearson, Darryl Chapin ve Cal Fuller’ın 1954’te yüzde dört verimlilikte çalışan silikon güneş paneli üretildi fakat bu yeterli değildi. İleri ki çalışmalar hücrenin verimini yüzde 15’e kadar çıkardı. 

Dünyadaki elektriğin yüzde 1’i Güneş enerjisinden üretiliyor. Bu üretimi yapabilmek için uzun bir yol var. Sizler ile paylaşacağız.

Ana Madde Silisyum

Bir güneş pilinin temel bileşeni, doğal fazlaca buluna Silisyum’dur.

Güneş pilleri üretmek için, gerekli olan ham maddeler; kuvarsit veya Silikon Dioksitdir. Silikon Dioksitte bulunan oksijeni ayrışması içi için ısıl işlem uygulanmaktadır. İşlemden sonra karbondioksit ve erimiş silikon olarak ayrışır. Bu işlemden sonra, silikon hala solar hücreler için kullanılacak kadar saf değildir ve daha fazla saflaştırmak gereklidir. Saf silikon, kuvarsit çakıl (en saf silika) veya ezilmiş kuvars gibi silikondioksitler ile işlenerek elde edilir.  Elde edilen saf silikon daha sonra, elektriği akımı iletebilmesi için fosfor ve bor ile katılır (işlenir). Silikon hücreler parlaktır ve güneş ışığını yansıtmaması için genellikle titanyumdioksit kaplama yapılır.

Güneş modülü, metal bir çerçeve içinde koruyucu malzeme ile çevrili silikon yarı iletkenden oluşur. Koruyucu malzeme , hücrelerin etrafına yapıştırılmış şeffaf silikon kauçuk veya butiril plastik (çoğunlukla otomobil ön camlarında kullanılan ) bir kapsül içerir ve bunlar daha sonra etilen vinil asetat içine gömülür. Bir polyester film (mylar veya tedlar gibi) desteği oluşturur. Karasal panellerde bir cam kapak, uydu panellerinde hafif plastik bir kapak bulunur. Elektronik parçalar standarttır ve çoğunlukla bakırdan oluşur. Çerçeve çelik veya alüminyumdur. Silikon, hepsini bir araya getirmek için kaplayıcı olarak kullanılır.

Üretim Süreci

Silikonun saflaştırılması

• Doğada fazlaca bulunan Kuvarsit çakıl veya ezilmiş kuvarsın silikon dioksit oksijeni ayırmak için ısı uygulanır. İşlemden sonra karbondioksit ve erimiş silikon oluşur. 
• İşlem sonucun da 100’de 99 saf silikon, oluşur.

Mono kristal silikon yapımı

• Güneş pilleri, silikon kristallerden, tek bir kristalin atomik yapısını oluşturmak için Czochralski yöntemi(kristal büyütme yöntemi) kullanılır. Bu işlemde, bir silikon tohum kristali erimiş polikristalin silisyum içine batırılır ve döndürülerek silindir yapı oluşturulur.

Silikon katman yapımı

• Silikon katman, oluşturmak için silindir yapıdaki silikon farklı teknikler (Elmas testere) kullanılarak kesilir.
• Kesilme işleminden kalan izler cilalanarak temizlenir.

Doping

• Silikon katmanları bor ve fosfor ile birleştirilerek kutuplar oluşturulur. Silikon katmanlar arka arkaya kapatılır ve fosfor gazı varlığında silikonun erime noktasının (2.570 derece Fahrenheit veya 1.410 santigrat derece) biraz altına ısıtılacak bir fırına yerleştirilir. Fosfor atomları, erime noktası daha düşük olduğu için daha gözenekli olan silikonun içine “girer”.

Elektrik temas noktalarının yerleştirilmesi

• Elektrik kutupları her güneş hücresini bir diğerine ve üretilen akımın alıcısına bağlar. Kutuplar, hücreye gelen güneş ışığını engellememek için çok ince olmalıdır. Paladyum / gümüş, nikel veya bakır gibi metaller vakumla buharlaştırılarak bu işlem yapılır. 
• Kutuplar yerleştikten sonra hücreler arasına ince şeritler (“parmaklar”) yerleştirilir. En yaygın kullanılan şeritler kalay kaplı bakırdır.

Yansıma önleyici kaplama

• Saf silikon parlak yapıya sahiptir, güneş ışığının yüzde 35 oranında yansıyabilir. Verimliliği artırmak için yansıtıcı olmayan bir kaplama ile kaplanır. En yaygın kullanılan kaplamalar titanyum dioksit ve silikon oksittir.

Hücrenin Birleştirilmesi

• Bitmiş güneş pilleri daha sonra birleştirilir.

Kalite kontrol

Güneş pili üretiminde kalite kontrolü önemlidir, çünkü küçük bir hata hücrelerin genel verimliliğini olumsuz yönde etkileyebilir. 

Tüm silikon hücreler üretim işlemi sırasında, katkı maddelerinin sıcaklığı, basıncı, hızı ve miktarları sürekli olarak izlenir. Havadaki ve çalışma yüzeylerindeki kirliliklerin minimumda tutulmasını sağlamak vakumlu ortam oluşturulur.

Tamamlanan yarı iletkenler daha sonra her biri için akım, voltaj ve direncin uygunluk testi yapılarak, standartlar sağlanmış olur. Güneş pilleri ile ilgili diğer test ise, kısmen gölgelendiğinde çalışmayı durdurma eğilimi idi. Bu sorun, hücredeki yüksek voltajı azaltan şönt diyotları sayesinde giderildi.

Güneş modüllerinin önemli bir testi, test hücrelerine normal koşullar altında karşılaşacakları koşullar ve ışık yoğunluğu sağlamayı ve ardından iyi performans gösterdiklerini kontrol etmeyi içerir. Hücreler ayrıca sıcağa ve soğuğa maruz kalır ve titreşim, bükülme ve doluya karşı test edilir.

Güneş modülleri için son test, bitmiş modüllerin kullanıcılara satılmak için paketlenir. Ortam koşulları bir güneş panelinin verimliliğini ve ömrünü belirlemek için en iyi verileri sağlar.