Son birkaç yıldır dünya, iklim değişikliğinin etkilerini azaltmak için odağını yenilenebilir enerjiye kaynaklarına doğru çeviriyor. Yenilenebilir enerji kaynağı deyince de akla elbette ilk olarak güneş enerjisi gelir.
Dünya üzerine büyük miktarda, yaklaşık 173000 terawatt (Bir watt’ın 1 trilyon katı) güneş enerjisi düşmektedir. Bu, dünya nüfusunun kullandığı toplam enerjiden on bin kat daha fazla! Ayrıca güneş ışığı tüm gezegende gün boyunca ücretsiz olarak mevcuttur, o zaman neden daha fazla kullanmıyoruz?
Öncelikle şu sorunun cevabını verelim. Dünya ne kadar güneş enerjisi yakalıyor? Cevap şaşırtıcı: hiç. Gezegenimize ulaşan güneş enerjisinin tümü geri yansıyor. Dünyada yaşamın sürebilmesi için bu biçimde olması gerekiyor. Bizler dünyamızda güneş enerjisinin kullanılabilir kısmı ile uğraşıyoruz. Bunu da güneş panelleri aracılığı ile yapıyoruz. Bunda da çok başarılı olduğumuzu söyleyemeyiz.
Güneş Panelleri Nasıl Çalışır?
Güneş panelleri güneş pili denen küçük parçalardan oluşur. Bu, ışığı doğrudan elektrik akımına dönüştüren (fotovoltaik) bir araçtır. Bir güneş pilinin bazı sınırlamaları vardır. Sorun yapısındadır. Güneş pilleri yarı-iletken maddelerden yapılmaktadır.
Yarı-iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir. Güneş pilleri, p-tipi ve n-tipi olarak adlandırılan silikon arayüzler barındırır.
Kullandığımız her cihazın, kendisiyle ilişkili belirli bir verimliliği vardır. Elinizde saatte 10 balon üreten bir makine olduğunu düşünün. Ancak bu on balondan ikisi defolu olma riski taşır. Bu durum balon makinenizin verimliliğinin % 80 olduğu anlamına gelir.
Yani, bir cihazın verimliliği, kendisine sağlanan girdi birimi başına üretilen yararlı çıktı miktarını temsil eder. Benzer şekilde, bir güneş pili güneşten gelen radyasyonu tamamen elektriğe dönüştüremez. Yani bir güneş pilinin verimliliğinin birçok farklı ölçüsü vardır, ancak en yaygın olanı Shockley-Queisser Limitidir.
Shockley-Queisser Limiti Nedir?
Daha yaygın olarak SQ Limiti olarak bilinen Shockley-Queisser Limiti, güneş pillerinin verimliliği için en önemli bilimsel ölçüdür. Standart test koşulları altında tek bir PN bağlantılı güneş pilinin teorik verimini ölçer.
Güneş pillerini kullanarak elektrik üretme süreci, öncelikle önemli bir adıma bağlıdır. Bu elektronların bir güneş hücresinin PN birleşiminden bir iletim bandına (pil gibi harici devreye) geçmesidir. Elektronlar bu geçişi kendi kendilerini yapmazlar. Geçiş yapabilmeleri için bant aralığı olarak bilinen belirli bir miktar enerji sağlanmalıdır.
Güneşten dünyaya ulaşan elektromanyetik dalgalar farklı dalga boylarından oluşurlar. Dolayısıyla, bu dalgalardan sadece birkaçı, bariyeri aşmak için gerekli enerjiye sahiptir. Örneğin bir güneş piline çarpan farklı dalga boylarında 100 dalgadan oluşan bir foton paketi düşünün.
Bu 100 dalgadan 40 dalga, bant aralığının enerji eşdeğerine sahiptir ve bu nedenle elektrik üretebilecektir. Dalgaların geri kalanı dağılacak ya da hücre yüzeyinden geri yansıyacaktır. Bu nedenle, bir güneş pilinin verimliliğinin bir sınırı vardır.
Ancak yukarıda aktardığımız süreç dışında da verimliliği etkileyen unsurlar vardır. Güneşten çıkan ışınlar ile Dünya yüzeyine düşen ışınlar tamamen birbirinin aynısı değildir. Bunun nedeni atmosferimizdir. Işınların saçılması, kırılması gibi durumlar Dünya’ya ulaşan ışın yoğunluğunu azaltır. Ozon tabakası, ultraviyole radyasyonun bize ulaşmasını engeller. Kısacası silikon yapılı güneş paneli hücreleri güneş ışığını elektriğe dönüştürmede çok verimli değiller. En iyi ihtimalle yaklaşık %33 verimle çalışıyorlar.
Güneş Enerjisi Nasıl Daha Verimli Olur?
Yakın gelecekte perovskitler, maliyetleri düşürüp verimliliği artırarak güneş enerjisi endüstrisinde bir devrim yaratacak gibi gözüküyor. Tsutomu Miyasaka ve arkadaşları, Güneş enerjisinden elektrik üretme özelliği barındıran bu malzemeyi 2009 yılında keşfettiler. Kimyasal olarak kalsiyum titanattan oluşan ve güneş enerjisinden elektrik üretme özellikleri barındıran bu malzeme, güneş ışığını silikonlardan daha iyi emebiliyor.
Bununla birlikte perovskit filmler, yüksek verimlilik için tek tip olması gereken geleneksel silikon hücrelerin aksine oldukça değişken boyut ve kimyaya sahip mozaik “taneciklerinden” oluşuyor. Standart bir silikon hücrenin üzerine bir perovskit tabakası ekleyerek mevcut teknolojinin verimliliğini % 30 oranında artırmak mümkündür.
Ayrıca dünyanın dört bir yanındaki bilim insanları, Galyum Nitrür, Germanyum, İndiyum fosfit ve daha bir çok yeni malzemeler üzerinde çalışıyorlar. Bunlar hep umut verici haberler. Daha temiz, daha yeşil ve daha yaşanabilir bir Dünya dileğimizle…
Kaynaklar ve İleri Okumalar:
- How do solar panels work?; https://ed.ted.com/
- Why Is There A Limit To The Efficiency Of Solar Panels?; https://www.scienceabc.com
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
