Ġkinci Nesil GüneĢ Pilleri

Birinci nesil güneĢ pili teknolojisi olan kristal silisyum güneĢ pillerinden sonra, ikinci sırayı ince film güneĢ pilleri almaktadır. Günümüze kadar yapılan çalıĢmalarda, amorf silisyum (a-Si), kadmiyum sülfür (CdS), kadmiyum tellür (CdTe), bakır indiyum galyum diselenür (CIGS), ince film Si gibi malzemeler ikinci nesil güneĢ pillerinde kullanılan önemli yapılardır. Ġnce film güneĢ pillerinin üretimine baĢlanmasındaki en önemli sebep üretim maliyetlerinin daha düĢük olmasıdır [32].

2.3.1. Amorf Silisyum GüneĢ Pilleri

Amorf silisyumu, kristal silisyumdan ayıran özellik silisyum atomlarının malzeme içindeki düzenlerinin, en yakın komĢu atomlarının ötesinde geliĢi güzel bir Ģekilde sıralanmasıdır. Amorf silisyum malzemedeki atomların, uzun mesafelerde etkili olabilen bir düzenlemesi yoktur. Silisyum atomlarının arasındaki bağların bazıları doymamıĢ durumdadır. Atomların düzenli sıralanmayıĢı yasak enerji aralığı bölgesinde çok fazla izinli enerji durumunun oluĢmasına neden olur. Bu izinli durumlar elektronlar ve boĢlukların yeniden birleĢmesi için uygun rekombinasyon merkezleri oluĢturur. Malzeme içerisindeki atomların bu geliĢigüzel diziliĢi, amorf-silisyumun elektriksel iletim kalitesini düĢürse de yarıiletken içerisine % 5-10 oranında hidrojen katılarak, elektriksel özellikleri fotovoltaik iĢlemin gerçekleĢmesine uygun hale getirilebilir. Hidrojen, doymamıĢ Si bağlarının bazılarını doyurarak yasak enerji aralığında bulunan izinli durumların sayısını azaltır. HidrojenlenmiĢ amorf silisyum (a-Si:H) ilk olarak 1955 yılında Sterling tarafından incelenmiĢ fakat hidrojenin rolü üzerinde durulmamıĢtır [33]. a-Si:H, amorf silisyumdan (a-Si ‟den) farklı bir çok özelliğe sahiptir. GüneĢ pilleri için önemli olan fotoiletkenlik a-Si filmlerde düĢüktür. Ancak a-Si:H filmlerde büyük ölçüde fotoiletkenlik gözlenmektedir. 1977 yılında, Wronski ve Carlson tarafından ilk defa a-Si:H güneĢ pili yapılmıĢ ve verimi % 5.5 olarak ölçülmüĢtür [34-36].

HidrojenlenmiĢ amorf silisyum elde edilmesi için silan (SiH4) gazının plazması

kullanılır. Silan gazı plazmasında silil (SiH3), sililin (SiH2) ve sililidin (SiH4) bulunur.

DıĢarıdan verilen enerji ile SiH4 gazı parçalanarak kararsız SiH3 radikalini oluĢturur.

Ġzleyen aĢamada kararsız SiH3, elektrotlardan birine giderek bağlanır ve kararlı hale gelir.

Ardından hidrojen yüzeyden ayrılarak geride silisyumu bırakır. Böylece yüzey silisyumla kaplanmıĢ olur [36, 37]. Elektrot üzerinde büyüyen silisyum gazının içerisine, uygun elementler katılarak p-tipi ya da n-tipi yapılabilir. a-Si güneĢ pilleri, p ve n tipi silisyum yarı iletkenlerin arasına saf bir silisyum yarı iletken ( i ) tabaka bırakılarak oluĢturulur. Ancak bu yapı oluĢturulurken orta kısımdaki saf yarı iletken tabakanın kenarlardaki iki tabakadan daha kalın olması sağlanır. En üst katman ince ve geçirgen özellikte tasarlanarak, gelen ıĢığın önemli bir kısmının orta bölümdeki tabakaya ulaĢması sağlanır. Böylece bir p-n eklem yapıda olduğu gibi kenarlardaki p ve n tipi yarı iletken arasında bir elektrik alan oluĢur. Amorf silisyumdan elde edilen güneĢ pilleri, kristal yapıdakilere göre

daha ucuza mal edilebilir. Amorf silisyum pillerden elde edilen verim % 10, ticari modüllerde ise % 5 – 7 civarındadır [30, 34, 35].

2.3.2. Galyum Arsenit ( GaAs ) GüneĢ Pilleri

Polikristal bir yapıya sahip olan GaAs, GaAlAs, GaInAsP gibi yarı iletkenler güneĢ pillerinde kullanılabilecek önemli malzemeler arasındadır. GaAs, güneĢ ıĢığını en ideal ölçüde soğurabilecek bant aralığına sahiptir. Direk bant aralıklı bir malzeme olması nedeniyle ıĢığı kısa mesafede soğurarak elektron-hol çifti oluĢturur. GaAs güneĢ pilleri ince olduğundan üretiminde az miktarda GaAs kullanılması yeterli olur. Ancak üretim maliyetleri oldukça yüksektir. GaAs güneĢ pilleri, maliyetin önemli olmadığı özel amaçlı çalıĢmalarda kullanılır. GaAs güneĢ pilleri ile ticari modüllerde % 22, laboratuvar Ģartlarında % 25 ve % 28 (optik yoğunlaĢtırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarıiletkenlerle birlikte oluĢturulan çok eklemli GaAs pillerde % 30 verim elde edilmiĢtir [38].

2.3.3. Kadmiyum Tellürit ( CdTe ) GüneĢ Pilleri

Periyodik cetvelin ikinci gurubunda bulunan kadmiyum elementi ile altıncı gurubunda bulunan tellür elementinin bir araya gelmesiyle oluĢan II-VI tipinde bileĢik bir yarı iletken malzemedir. CdTe, sahip olduğu 1,5 eV‟ lik bant aralığı ile güneĢ ıĢığını maksimumu seviyede soğurabilecek bir potansiyele sahiptir. Polikristal yapıda olması nedeniyle güneĢ pili üretim maliyetini düĢürmesi umut edilmektedir. CdTe ince filmleri çoğunlukla kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle üretilir. Yüksek soğurma katsayısına sahip olması, ince film büyütme teknolojisinin birçoğu ile kolayca üretime olanak tanıması geniĢ yüzey alanlı güneĢ pili üretiminde CdTe yarı iletkeninin öne çıkmasını sağlamıĢtır. Çoğunlukla CdS ile birleĢtirilerek p-n heteroeklem halinde kullanılır. Laboratuvar tipi küçük hücrelerde % 16, ticari tip modüllerde ise % 7 civarında verim elde edilmektedir [26, 27, 38].

2.3.4. Bakır Ġndiyum Diselenit ( CuInSe2 ) GüneĢ Pilleri

Periyodik cetvelin I. III. ve VI. grup elementleri bir araya getirilerek elde edilen I- III-VI2 bileĢik yarı iletkenleri güneĢ pillerinde tercih edilen malzemeler arasındadır. Bu

malzemenin en belirgin özelliği sahip olduğu yüksek soğurma katsayısı, üç ya da daha fazla elementin bir araya gelmesiyle oluĢturulan yapının bant aralığının, güneĢ

spektrumuna uygun bir aralığa ayarlanabilir olmasıdır. Ayrıca bu yapı kullanılarak kolay bir Ģekilde p ne n tipi yarı iletkenler üretmek mümkündür. Soğurma katsayısının yüksek olması, ince bir tabaka Ģeklinde kullanılmasına olanak sağlar. Böylece üretim maliyeti önemli ölçüde düĢer. Bakır indiyum ve selenyumdan yapılan güneĢ pillerinde laboratuvar Ģartlarında % 17,7 ve enerji amaçlı olarak geliĢtirilmiĢ olan örnek bir modülde ise % 10,2 verim elde edilmiĢtir [29, 38]

2.3.5. Bakır Ġndiyum Galyum Selenyum ( CuInGaSe ) GüneĢ Pilleri

Bakır, indiyum, galyum ve selenyum elementlerinin bir araya getirilmesiyle oluĢturulan bu dörtlü yapı, son yıllarda güneĢ pillerinde yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu yapı genellikle CIGS pilleri olarak adlandırılır. Ancak dörtlü yapıda olması üretim sürecini nispeten zorlaĢtırır. En önemli avantajı esnek yüzeylere uygulanabilir olmasıdır. Bu özelliği sayesinde giyilebilir tekstil ürünlerine, kumaĢlara ve çatılara rahatlıkla kaplanabilir. CIGS panellerin verimi % 12 – 13 değerine ulaĢmıĢtır [30].