Tandem Güneş Hücresi
Çok eklemli (multijunction) güneş pilleri olarak da bilinen tandem güneş pilleri, geleneksel tek bağlantılı güneş pillerine kıyasla daha geniş bir güneş ışığı spektrumunu yakalayabilen bir fotovoltaik hücre türüdür. Her biri ışığın farklı dalga boylarını soğurabilecek şekilde tasarlanan, farklı bant aralıklarına sahip birden fazla fotovoltaik tabakadan oluşan tandem güneş pilleri geniş bir spektruma sahiptir. Tandem güneş pilleri geleneksel güneş panellerine kıyasla güneş spektrumunun daha geniş bir aralığını soğurduğu için aynı yüzey alanından daha fazla elektrik üretebilmektedir. Bu artan verimlilik, özellikle alanın sınırlı olduğu veya yüksek verimliliğin kritik olduğu uygulamalarda güneş enerjisinden yararlanmak için iyi bir seçenek haline getirmektedir.
Şekil 1. NREL güneş hücresi verimlilik tablosu
Yenilenebilir enerjiye olan artan talebi karşılamak için daha iyi tandem güneş hücresi verimliliği üzerine çalışmalar devam etmektedir. Tandem güneş hücreleri, geleneksel Si güneş hücrelerinden önemli ölçüde daha yüksek olan %30’un üzerinde verimliliğe ulaşabilmektedirler. Bu onları uzay uygulamalarında çeşitli kullanımlar için ideal hale getirmektedir.
Tandem Güneş Hücresinin Yapısı
Şekil 2. Üç P-N Eklemli Tandem Güneş Hücresindeki Katmanların Spektral Değişimleri
Genel olarak daha çok tercih edilen yaklaşım güneş pillerini ince film katmanları halinde üst üste yerleştirmektir, yani farklı yasak enerji aralıklı eklemleri bir araya getirerek çok eklemli bir güneş hücresi yapmaktır ve bu hücreler birden çok p-n eklemin bir araya getirilmesi ile oluşturulmaktadır. Bu hücreler, ışık emme verimliliğini artırmak için katmanlar halinde istiflenmiştir. En üst katman mavi ışığı, alttaki katmanlar ise sırasıyla yeşil ve kırmızı ışığı absorbe eder Böylece, güneş ışığının tüm dalga boyları enerji üretimi için verimli bir şekilde kullanılabilmektedir.
Tandem Güneş Hücresinin Çalışma Prensibi
Tandem içerisindeki her bir p-n eklem belirli bir dalga boyu aralığındaki ışınımı soğurup, kayıp dalga boylarını azaltarak verimin arttırılmasını sağlayacak şekilde tasarlanmaktadır. Bu sayede tekli güneş hücresi ile ulaşılması neredeyse imkânsız gibi görünen çok yüksek teorik verimler ortaya koyularak pratikte de yüksek verimlere ulaşılabileceği gösterilmiştir.
Güneş hücrelerinde verimin ideal değeri için, güneş spektrumunun mümkün olduğu kadar büyük bölümünü soğurması hedeflenmektedir. Bu yüzden çok eklemli yapıyı oluşturan hücrelerin bant aralıklarının bu büyük spektrumu kapsaması istenmektedir. Tandem güneş hücresinin üç eklemli bir güneş hücresi olduğu farz edilirse ortadaki eklem, kendinden önce bulunan eklemden soğurulmadan geçen, daha düşük enerjili fotonları soğurulmaktadır. Çünkü bu yüksek yasak enerji aralığına sahip eklem yasak enerji aralığından düşük enerjili fotonlar için saydamdır. Aynı süreç en alttaki eklem içinde geçerli olmaktadır. Ayrıca ortadaki eklem, iki yüzeyinden ışığı yansıtır ya da diğer eklemlerden yansıyan ışığı da toplamaktadır. Fotonların bu geri kazanımı sayesinde verimde artış gözlemlenmektedir.
Tandem güneş hücreleri verimliliğini artırmak için birden fazla katman kullanılmaktadır. Üst hücre, yüksek enerjili ışığı emen geniş bant aralığına sahip bir malzemeden yapılmıştır. Bu katman, düşük enerjili ışığı alt hücreye iletmektedir. Alt hücrenin daha dar bir bant aralığı vardır ve kalan ışığı absorbe etmektedir. Bu tasarım, tandem güneş hücrelerinin daha geniş bir güneş ışığı spektrumunu yakalamasını ve tek bağlantı hücrelerine kıyasla daha fazla enerjiyi elektriğe dönüştürmesini sağlamaktadır.
Tandem Güneş Hücresinin Avantajları
Tandem güneş hücreleri, tek katmanlı hücrelere kıyasla daha fazla güç üretebilmektedir. Bunu, farklı yarıiletken malzemeleri birleştirerek başarmaktadır. Bu sayede, güneş spektrumunun daha geniş bir kısmını kullanarak enerji üretim verimliliği arttırılmış, güç kaybı azaltılmış ve daha verimli bir hale getirilmiştir.
- Daha yüksek verimlilik ve güç çıkışı
Tandem güneş pilleri, verimli bir şekilde enerji üretme konusunda oldukça başarılıdır. Birkaç katmanı üst üste dizerek, her katman güneş ışığının farklı bir bölümünü emmeye odaklanmaktadır. Bu sayede, güneş ışığının %30’undan fazlasını elektriğe dönüştürmek mümkün olabilmektedir. Alan veya ağırlık sınırlamaları olan yerlerde oldukça etkili bir çözüm sunmaktadır.
- Düşük ısı ve iletim kayıpları
Normal güneş pillerinin en büyük sorunlarından biri, ısı nedeniyle veya ışığın kaybolması sonucu yaşanan güç kayıplarıdır. Tandem hücrelerde, bu sorunları aşmak için malzemeler özenle seçilmektedir. Bu şekilde, daha fazla güneş enerjisi elektriğe dönüştürülerek kayıplar minimuma indirilmektedir.
- Kullanılan malzeme ve tasarım
Tandem güneş pillerinin üretimi, dikkatli bir planlama gerektirmektedir. Verimliliği artırmak için birlikte uyum içinde çalışabilecek malzemeler, güneş ışığını en iyi şekilde elektriğe dönüştürme hedefiyle dikkatlice seçilerek tasarlanmaktadır.
Uygulama Alanları
Tandem güneş hücreleri, özellikle yüksek verimlilik ve dayanıklılık gerektiren sektörlerde tercih edilen bir teknolojidir. Bu hücrelerin kullanım alanları, daha verimli enerji üretimi ve uzun süreli performans ihtiyaçları doğrultusunda çeşitlenmiştir. İşte bu alanlardan bazıları:
- Havacılık ve Askeri Uygulamaları
Şekil 3. Airbus Zephyr (güneş hücresi kullanılan insansız hava aracı)
Yüksek irtifada uzun süre havada kalabilen insansız hava araçlarında (UAV’ler), esnek güneş hücreleri kullanılmaktadır. Bu hücreler, UAV’lerin günlerce hatta aylarca havada kalmasına olanak tanımaktadır. Bu sayede, geleneksel uydu fırlatmaları gibi pahalı operasyonlardan kaçınılmaktadır. UAV’ler, haritalama, gözetleme, sınır devriyesi ve arama-kurtarma gibi görevlerde kullanılırken, sivil alanda ise uçan telefon kuleleri ve iletişim sistemlerinde de tercih edilmektedir. Alta Devices, Microlink Devices ve SolAero Technologies gibi şirketler, bu alanda öncü üreticilerdendir.
- Konsantre Fotovoltaik Sistemleri
Şekil 4. Işığı tek bir noktaya odaklayan Fresnel lensi
GaAs ve çok katmanlı güneş hücreleri, güneş ışığını bir noktada yoğunlaştırarak verimliliği artırabilmektedir. Bu tür sistemler, düşük ışık yoğunluğuna sahip alanlarda daha fazla enerji üretmek için kullanılmaktadır. Konsantre fotovoltaik sistemler (CPV), özellikle uzay görevlerinde yüksek performans sergilemektedir. Fresnel lensleri ve parabolik aynalar gibi tasarımlar, güneş ışığının verimli bir şekilde toplanmasını sağlamaktadır. Bu teknolojiler, güneş ışığının çok daha fazla enerjiye dönüştürülmesine olanak tanımaktadır.
Problar, Uydular ve Uzay Araçları
Şekil 5.Mars’taki Ingenuity helikopteri (üst kısmından çok bağlantılı güneş pilleri bulunmaktadır)
Tandem güneş hücreleri, uzayda kullanılan uydular ve uzay araçları için vazgeçilmezdir. Özellikle GaAs tabanlı hücreler, uzayda karşılaşılan zorlu koşullara karşı yüksek direnç gösterir, örneğin gamma ışınlarına karşı dayanıklıdır. Bu nedenle, Venera programı gibi erken uzay misyonlarından Hubble teleskobuna kadar pek çok uzay aracı bu hücrelerle donatılmıştır. Son olarak, Mars 2020 misyonu çerçevesinde, Ingenuity helikopteri ve Perseverance aracı, tandem GaAs hücreleri ile güç sağlanmaktadır. Bu hücreler, Mars koşullarında dahi yüksek verimlilik sunarak, uzay keşiflerinde güvenli ve uzun süreli enerji kaynakları sağlamaktadır.
Bu uygulamalar, tandem güneş hücrelerinin üstün verimlilik, dayanıklılık ve esneklik özelliklerini vurgulamaktadır. Bu sayede, yüksek performans gerektiren alanlarda, özellikle uzay teknolojileri ve hava araçlarında etkili bir şekilde kullanılmaktadır.
CÜNAM’ın Projeleri
CÜNAM ve ODTÜ-GÜNAM’ın iş birliği ile 2010 yılında TÜBİTAK-1001 projesi kapsamında TANDEM güneş hücrelerine yönelik Ar-Ge çalışmalarına ülkemizde ilk defa başlanmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda Askeri alanlarda ve özellikle uzay araştırmalarında büyük alan kaplayan silikon tabanlı geniş alanlı güneş panellerinin kullanılamayacağı ve bu alanlar için küçük alanlı, sert doğa şartlarına ve uzay radyasyonuna dayalı güneş hücrelerinin üretilmesi gerektiği ifade edilmiştir. Tandem güneş hücrelerinin yüksek sıcaklığa dayanan bir yapıda olduğu ve üzerine ışık yoğunlaştırıcılar konularak hem alanının küçültülebildiği hem de çok daha etkin şekilde enerji elde edilebildiği sonucuna varılmıştır.
Kaynaklar
https://blog.feniceenergy.com/tandem-solar-cells-what-they-are-and-how-they-work/
https://www.slideshare.net/slideshow/solar-energy-19030766/19030766
https://weather.com/en-IN/india/space/news/2021-05-10-ingenuity-helicopter-successfully-completes-first-one-way-trip