Güneş pilleri, kimyasal veya standart elektrik prizleri gibi elektronik cihazların prensiplerini kullanarak elektrik enerjisi üretirler. Uluslararası uzay istasyonundan, bir güneş enerjili hesap makinesine kadar pek çok alanda güneş pillerinden yararlanmak mümkündür. Güneş pilleri sayesinde, tüm devre boyunca elektronların serbest akışı sağlanmış olur.
Güneş pillerinin nasıl elektrik ürettiğini anlamak için aslında lise kimya derslerini kısaca hatırlamak yardımcı olabilir. Güneş panelleri ve bilgisayar devriminin yaratılmasında aynı önemli unsur rol oynar. Saf silikon. Silikon tamamen saflaştırıldığında nötr hale gelir ve elektronların iletimi için ideal bir ortam oluşturmuş olur. Ayrıca silikonun sahip olduğu bazı atomik enerji seviye özellikleri sayesinde bu malzeme güneş pilleri oluşumunda daha kullanışlı ve cazip hale gelmektedir.
Silikon atomları normalde son yörüngelerinde 8 elektron barındırırken ama doğal durumda bunların sadece 4’ünü taşıyabilir. Bu da 4 elektrona daha yer olduğu anlamına gelmektedir. Bir silikon atomu başka bir slikon atomuyla etkileşim halindeyse birbirlerinin 4 elektronunu alıp verebilirler. Bu elektron alışverişi güçlü bir bağ oluşturur. Ancak burada pozitif ya da negatif kutup yoktur. 8 elektron, atomların ihtiyaç duyduğu alışverişi karşılamaya yeter. Silikon atomları yıllardır saf silikon oluşturabilmek için kombine edilirler. İşte bu malzeme güneş pillerinin oluşmasında en büyük rolü oynar. Bu noktadan sonra ise bilim devreye girer.
Saf silikonun iki kutbu pozitif ya da negatif kutba sahip olmadığından güneş pilinde elektrik akımı doğrudan meydana gelmez. Güneş panelleri, silikonun diğer başka elementlerle kombine edilerek pozitif veya negatif kutuplar oluşturmasıyla elde edilir. Örneğin fosfor elementinin ortaklaşa kullanabileceği 5 elektronu vardır. Silikon ve fosfor tepkimeye girdiğinde süreç, 8 kararlı elektron ve bir serbest elektron ile devam eder. Bu serbest elektron silikon atomu için gerekli değildir ama fosfor atomuna bağlı olduğu için atomlardan ayrılmaz. İşte bu nedenle de oluşan bu yeni fosfor-silikon plakanın negatif yüklü olduğu düşünülmektedir.
Elektrik akımının oluşması için bunun yanında bir de pozitif yükün oluşturulması gerekir. Bu da örneğin bor elementi gibi sadece 3 elektronu ortaklaşa kullanabilen bir element ile kombine edilince mümkün olabilir. Bir silikon-bor plakası ise başka bir element için yine bir başka kutup oluşturur. Bu plaka pozitif bir plakayı temsil eder. İletken teller arasında çalışan iki tabaka, güneş pilleri ile sıkıştırılmış haldedir. Artık tek gerekli olan şey Güneş’in görüş açısına girmek ve ışığı almaktır. Fotonlar böylelikle bir benzetme yapmak gerekirse, silikon/fosfor atomlarını bombardıman etmiş olacaktır.
Doğal güneş ışığı enerjinin birçok farklı formunu bize gönderir. Biz ise sadece enerjinin “Foton” denilen kısmı ile ilgileniriz. Esas olarak bir foton tıpkı hareketli bir çekiç gibi davranır. Güneş hücreleri Güneş’in görüş açısına girdiğinde fotonlar, silikon-fosfor atomlarının bombardımanını gerçekleştirir. Sonunda serbest kalmak isteyen 9. elektron en dış seviyeye yollanır. Pozitif silikon-bor plakası kendi yörüngesine elektron çekene kadar bu serbest halinde kalmaya devam eder. Güneşten gelen fotonlar daha fazla elektron kopardıkça, daha fazla elektrik üretilir. Bir güneş pili tarafından üretilen elektrik enerjisi belki kulağa çok etkileyici gelmeyebilir. Ancak iletken tellerin, tüm uzaktaki plakaların serbest elektronlarını etkilemesi ve düşük amperli motorları veya diğer elektronik güç devreleri için yeterli elektrik sağlaması göz ardı edilemeyecek bir teknolojidir. Kullanılan enerji ya da kayıp ne olursa olsun, elektronlar negatif plakaya iade edilir ve tüm süreç yeniden başlatılır.
Güneş panellerinin temel sorunlarından biri panellerin büyüklüğüne göre, oluşturduğu elektriğin de ona orantılı bir şekilde oluşmasıdır. Örneğin bir hesap makinası için tek bir güneş pili yeterliyken, bir güneş enerjili araba için birkaç tanesinden fazlası gerekli olacaktır. Hatta güneş panellerinin açısı biraz değiştirilirse, verimlilik yüzde 50 düşebilir.
Güneş pillerinden elde edilen enerji bazı kimyasal pillerde saklanabilir. Ancak genelllikle ilk etapta çok fazla güç sağlanamaz. Güneş ışığı foton saldığı gibi fiziksel olarak güneş pillerine zarar verebilecek olan mor ötesi ve kızılötesi ışınlarını da salar. Yıkıcı hava unsurlarına maruz kalan panellerde verimlililk ciddi derecede düşebilir.
Geleceğin bilimi için geliştirilmesi gereken pek çok yenilik var. Güneş ışığı mevcut değilken enerji üretebilmek, kötü koşullara karşı dirençli piller üretebilmek ve pratik uygulamalar için küçük panellerden güçlü ve verimli elektrik sağlamak bunlardan bazılarıdır. Üstelik güneş enerjisi kullanımının önemi her geçen gün artmaktadır. Dünya nüfusu artarken beraberinde enerjiye olan talep de artmıştır. Yapılan ileriye dönük projelere göre, 2050 yılında insanoğlunun enerji talebi günümüze nazaran çok daha fazla olacaktır. Eğer gezegenimize zarar vermeden, küresel ısınmaya sebep olmadan enerji elde edilmesi istenirse temiz ve yenilenebilir enerji kaynakları araştırılmalı ve geliştirilmelidir. Tüm bu veriler güneş pillerinin ve diğer bütün doğal kaynakların önemini gözler önüne sermektedir.
Tuğba Yaşar
Marmara Üniversitesi Fizik Bölümü
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Kaynaklar:
- http://www.wisegeek.com/how-do-solar-panels-work.htm
- http://www.processindustryforum.com/hottopics/advantages-and-disadvantages-of-solar-energy
- http://tr.wikipedia.org/wiki/G%C3%BCne%C5%9F_pili
