Fotovoltaik hücre, güneş ışığındaki fotonların enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken yapılı bir enerji dönüşüm elemanıdır. Temel çalışma prensibi fotovoltaik etkiye dayanır. Bu etki, fotonların yarı iletken malzemede elektron–boşluk çiftleri oluşturması ve bu yük taşıyıcılarının bir elektrik alan yardımıyla ayrılması sonucu elektrik akımının meydana gelmesidir. Fotovoltaik kelimesi, Yunanca “ışık” anlamındaki photo ve elektrik akımını geliştiren makineyi tasarlayan Alessandro Volta’nın isminden türeyen voltaic sözcüklerinin birleşiminden oluşur.

Tarihçe

Fotovoltaik etki ilk kez 1839 yılında Alexandre Edmond Becquerel tarafından platin elektrotlar üzerinde gözlemlenmiştir. 1873’te Willoughby Smith, selenyumun fotoiletkenlik özelliğini keşfetmiştir. 1883’te Charles Fritts, selenyum tabanlı ilk fotovoltaik hücreyi geliştirmiştir. 1954’te Bell Laboratuvarlarında üretilen silisyum tabanlı hücreler %6 verimliliğe ulaşmıştır. 1957–1960 yılları arasında Hoffman Electronics verimi %14’e yükseltmiş, 1970’li yıllarda yaşanan enerji krizi ile araştırmalar hızlanmıştır. 1985’te %20 verimli hücreler üretilmiş, 2006’da Spectrolab tarafından çok eklemli hücrelerde %40 verim elde edilmiştir. 2009’da bu oran %41,6’ya ulaşmıştır.

Yapı ve Çalışma Prensibi

Fotovoltaik hücreler genellikle p-tipi ve n-tipi yarı iletken tabakaların birleşmesiyle oluşturulan p-n eklem yapısına sahiptir. Silisyum, galyum arsenit (GaAs), kadmiyum tellür (CdTe) ve bakır-indiyum-galyum-selenid (CIGS) gibi yarı iletkenler kullanılır. P-tipi yarı iletkenler, değerlik elektron sayısı üç olan elementlerin katkılanmasıyla; n-tipi yarı iletkenler ise değerlik elektron sayısı beş olan elementlerle katkılanarak elde edilir. P ve n tabakalarının birleştiği bölgede doğal bir elektrik alan oluşur. Güneş ışığından gelen foton enerjisi, yasak bant aralığından daha yüksek olduğunda değerlik bandındaki elektronları iletkenlik bandına çıkarır, böylece elektron–boşluk çiftleri meydana gelir. Elektrik alan bu çiftleri ayırır ve dış devre üzerinden akım oluşur.

Çeşitler

Birinci jenerasyon olarak bilinen kristal silisyum hücreler, monokristal ve polikristal olmak üzere ikiye ayrılır. Monokristal hücreler yüksek saflıkta ve düzenli kristal yapıya sahiptir; bu nedenle verimlilikleri yüksektir ancak üretim maliyetleri yüksektir. Polikristal hücrelerde ise kristal yapıda düzensizlikler bulunur, bu durum verimliliğin monokristal hücrelere göre daha düşük olmasına yol açsa da üretim süreçlerinin daha kolay ve maliyetin daha düşük olması nedeniyle yaygın olarak tercih edilir.

İkinci jenerasyon hücreler amorf silisyum, kadmiyum tellür (CdTe) ve bakır-indiyum-galyum-selenid (CIGS) gibi malzemelerden üretilen ince film hücrelerdir. Esnek, hafif ve düşük maliyetli olmalarının yanı sıra taşınabilirlik avantajı sunarlar; ancak verimleri genellikle kristal silisyum tabanlı hücrelere kıyasla daha düşüktür.

Üçüncü jenerasyon olarak adlandırılan yeni teknoloji hücrelerde ise organik fotovoltaikler, boyar madde duyarlı hücreler ve perovskit hücreler gibi gelişmiş tasarımlar yer alır; bu türlerde çok eklemli yapılarla yüksek verimlilik hedeflenmektedir.

^{Araziye Monte Edilmiş Fotovoltaik (PV) Panel Dizisi (Yapay Zeka ile Oluşturulmuştur.)}

Elektriksel Karakteristikler

Fotovoltaik hücrelerin performansı akım–gerilim (I–V) ve güç–gerilim (P–V) eğrileri üzerinden değerlendirilir. Açık devre gerilimi (Voc), hücre akımının sıfır olduğu durumda ölçülen gerilimi ifade ederken; kısa devre akımı (Isc), hücre geriliminin sıfır olduğu koşullarda ölçülen akımdır. Dolgu faktörü (FF), maksimum güç değeri ile açık devre gerilimi ve kısa devre akımı çarpımının oranı olup hücrenin idealitesini gösterir. Maksimum güç noktası (MPP), akım ile gerilimin çarpımının en yüksek olduğu çalışma noktasıdır. Farklı hücre tipleri laboratuvar koşullarında %10–30, uygulama koşullarında ise %5–20 arasında verimlilik sağlayabilmektedir.

Verim ve Etkileyen Faktörler

Verim, üretilen elektrik gücünün hücre üzerine düşen güneş enerjisine oranıdır. Hücre sıcaklığının artması, yarı iletken malzemenin elektriksel özelliklerini olumsuz etkileyerek verimliliği düşürür; bu nedenle soğutma büyük önem taşır. Malzeme özellikleri, optik kaplama kalitesi, yüzey kirliliği (toz, kir), ışınımın geliş açısı ve spektral bileşimi verim üzerinde doğrudan etkilidir.

Deneysel Bulgular (Hava Boşluğu ve Sıcaklık Etkisi)

150 W gücünde monokristal PV panellerin farklı yüksekliklerde (0, 10, 20, 30 cm) konumlandırıldığı bir çalışmada, 20 cm yükseklikteki panel %19,66 ile en yüksek verimi vermiştir. Panel arkasında bırakılan hava boşluğu doğal taşınım yoluyla hücre sıcaklığını düşürerek verimi artırır; ancak boşluk miktarının aşırı artması doğal taşınımın etkinliğini azaltarak verimi olumsuz etkileyebilir.

Matematiksel Modeller ve I–V Karakteristiği

PV hücrelerin elektriksel davranışı genellikle eşdeğer devre modelleri ile açıklanır. En basit model, akım kaynağına paralel bir diyot ve seri ile şönt dirençlerden oluşur. Dört parametreli modelde ışık akımı (IL), ters doyma akımı (I0), seri direnç (Rs) ve diyot idealite faktörü (α) kullanılır. Beş parametreli modelde buna şönt direnç (Rsh) eklenir. Geliştirilmiş dört parametreli model ile iki diyotlu model daha yüksek doğruluk sunar. Deneysel ölçümlerle yapılan karşılaştırmalarda, geliştirilmiş dört parametreli modelin R² değerleri %95,86 ile %99,86 arasında değişerek yüksek uyum gösterdiği belirlenmiştir. Parametre tahmininde üretici verileri, türev tabanlı yöntemler ve genetik algoritma ile parçacık sürüsü optimizasyonu gibi yapay zekâ teknikleri kullanılabilmektedir.