Mono Silikon Fotovoltaik Hücreler

25.07.2019

Mono Silikon Fotovoltaik Hücrelerin Polimer Kompozit Malzeme ile Laminasyonu

Özet

Alternatif enerji kaynakları, özellikle fotovoltaik paneller, enerji ihtiyacımızın günden güne artmasıyla hayatımızda giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Bu çalışmada, güneş enerjisinden direkt elektrik üretilen fotovoltaik hücrelerin polimer kompozit yapı kullanılarak yarı esnek yapı eldesi için laminasyonu incelenmiştir. Fotovoltaik hücrenin laminasyonu için kompozit malzemenin üretim yöntemi belirlenmiş, kullanım amacına uygun matris ve fiber araştırılmıştır. Malzeme seçiminde ve laminasyon tekniğinin belirlenmesi esnasında, fotovoltaik hücrelerden elde edilebilecek maksimum verim hedeflenmiştir.

1. Giriş

Dünyada kullanılan enerji kaynakları sıralamasında güneş enerjisi, günden güne yerini artırmaktadır. Güneşten kaynaklanan enerji, fotovoltaik hücreler yardımıyla güneş ışınlarının, ısı ve elektrik enerjisine çevrilmesiyle elde edilir. Bu enerji üreitmi yöntemi, yenilenebilir bir enerji kaynağı olduğu için rüzgâr enerjisi, hidrolik enerji, jeotermal enerji, biokütle enerjisi ve benzeri enerji kaynaklarıyla birlikte diğer enerji kaynaklarına kıyasla çevrenin korunması açısından çok daha fazla avantajlıdır. Güneş enerjisinin elektrik eldesinde kullanımının artması, fosil yakıt kullanımına dayalı enerji üretimi kullanımını da azaltmaktadır. Kullanım alanı oldukça geniştir. Güneş enerjisinden elektrik elde etmek için fotovoltaik hücreler kullanılır. Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi’nin 2013 yılı verilerine göre ülkemizdeki yıllık elektrik tüketimi 225 milyar 337 milyon [kWh] olarak tespit edilmiştir, fakat sadece %2,6’sı yenilenebilir enerji kaynağıdır. Ülkemizde yıllık ortama güneşlenme süresi 2623 saattir, bu veri dikkate alındığında yıllık elektrik ihtiyacının büyük bir bölümü Güneş enerjisinden karşılanabileceği görülmektedir. Yaygın olarak kullanılan fotovoltaik hücrelerin laminasyonu, esnek olmayan ve mukavemet/ağırlık oranı düşük olan malzemelerle gerçekleştirilmektedir ya da yapı, laminasyonun ardından oldukça ağır olmaktadır. Bu durum fotovoltaik hücrelerin kullanım alanını kısıtlamaktadır. Bu çalışmada fotovoltaik hücre laminasyonu için polimer kompozit yapı kullanımı araştırılmıştır. Polimer kompozit yapı kullanılmasıyla amaçlanan, fotovoltaik hücreleri yarı esnek hale getirip kullanım alanını yaygınlaştırmak ve güneş arabaları gibi kavisli yüzeylere sahip alanlarda aerodinamik formun bozulmadan kullanılmasını sağlamaktır. Kompozit malzemenin matris ve fiber seçimi yapılırken fotovoltaik hücrenin verimliliği, malzemenin kırılma indisi, mekanik özellikleri ve ısıl direnç verileri dikkate alınmıştır. Bununla birlikte kompozit malzemenin kullanım alanına göre üretim yöntemi vakum destekli reçine transfer yöntemi olarak [1] belirlenmiştir.

2. Fotovoltaik Hücre Seçimi

Çalışmada, enerji verimi, fiyat, ömür ve performans değişkenleri dikkate alınarak, aynı zamanda erişimi kolay ve verimli olması açısından silikon fotovoltaik hücreler seçilmiştir. Monokristal silikon fotovoltaik hücrelerin, polikristal hücrelerle kıyaslandığında daha uzun süre verimini koruduğu ve daha fazla ömre sahip olduğu araştırmalar sonucunda bulunmuştur. Sunpower C60 Solar Cell [2] ürün kataloğundan alınan veriler ve avantajlar esas alınarak çalışmada C60 Monokristal Silikon Solar Hücre’nin uygun olduğu belirlenmiştir.

2.2.1. C60 Monokristal Silikon Solar Hücrelerin Avantajları Maksimum Işık Absorbesi:

C60 Solar hücrelerin kutuplarının arka yüzünde olmasından dolayı, ön yüzeyde ince yolardan oluşan kayıplar bulunmamaktadır. Bunun sonucunda, konvansiyonel hücrelere göre yaklaşık %10 daha fazla güneş ışığının kullanılması sağlanır.

Bunun yanında, sıcaklık artışında performansları geleneksel hücrelere göre daha iyi, ışık kaynaklı bozulması daha az, daha geniş bir ışık spektrumunda enerji üretebilen, daha uzun ömürlü hücrelerdir. Tablo 1. Standart Test Koşullarında Seçilen Hücrelerin Tipik Elektriksel Özellikleri

Seçilen C60 Solar Hücre, G tipi hücredir. Hücrenin maksimum güç değeri 3,34 [Wp], verim değeri %21,8, maksimum güç çalışma noktasındaki gerilimi ise 0,574 [V]’tur (Tablo 1). Bu değerler fotovoltaik hücrenin kullanım alanına uygundur. Hücreye ait boyutlar ise Şekil 1’de verilmiştir.

Şekil 1. Çalışmada seçilen hücrenin mm cinsinden boyutları

Kısa devre akımı (Isc), fotovoltaik hücredeki voltaj değeri sıfır olduğunda hücrede dolaşan akımdır. Kısa devre akımı, ışık kaynaklı taşıyıcı elektronlar ile meydana gelir ve fotovoltaik hücrelerden elde edilebilecek en büyük akım değeridir. Tablo 1 incelendiğinde, seçilen fotovoltaik hücrenin kısa devre akımı 6,24 [A] olduğu görülebilir. Açık devre gerilimi (Voc), fotovoltaik hücreye yük bağlanmadan (akım değeri sıfır olduğunda) elde edilebilen gerilim değeridir. Seçilen fotovoltaik hücrenin açık devre gerilimi 0,682 [V]’tur.

3. Polimer Kompozit Yapı Tasarımı

İki veya daha fazla malzemenin makro düzeyde bir araya getirilmesiyle oluşturulan ve yeni mekanik özelliklere sahip malzemeye kompozit malzeme denir. Kompozit malzemeler matris çeşidine göre sınıflandırılabilir. Bu çalışmada polimer matris kompozit malzeme kullanımı uygun görülmüştür. Polimer matris kompozitlerde; matris olarak çeşitli reçineler, takviye malzemesi olarak da çeşitli elyaflar kullanılır. Yapıya üstün bir özellik katılabilmesi için ise farklı partiküller, kaplamalar veya bölgesel farklılılar uygulanabilmektedir.

3.1. Matris Seçimi

Matris, kompozit malzenin iki önemli bileşeninden ana bileşeni olup, yapının formunu oluşturur ve kompozit malzemenin teknik özelliklerine katkı sağlar. Kuvvetleri fiberlere iletir ve düzgün dağılımını sağlar, kompozit malzemenin tokluğunu artırrır ve çatlak oluşumunu engeller. Bu çalışmada polimer matris malzemeler tercih edilmiştir (Tablo 2). Fotovoltaik hücrenin laminasyonunda kullanılacağı için matris, öncelikli olarak kırılma indisi değerine göre belirlenmiştir. İncelenen matris malzemeler; PMMA (Poli metil metakrilat) [6], EPX 200 Reçine [3], Polipol 354 [8], Crystal Clear 200 Reçine [9], Araldite LY 1564 SP’dir.

3.1.1. Matris Malzemeleri

Poli Metil Metakrilat (PMMA), sert ve saydam bir malzemedir. Diğer termoplastik malzemelerle karşılaştırıldığında hava koşullarına karşı daha dayanıklıdır. Cam elyaf takviyeli termoplastik matrisi olarak kullanılabilir. Çalışmada, maruz kalınan ışığın dalga boyuna göre kırılma indisi değerleri göz önüne alınarak, uygun bir matris olabileceği öngörülmüştür. Tam şeffaf döküm tipi olan polyester olan polipol 354 polyesterinin en temel özelliği çok açık renkli şeffaf ürünler vermesi özelliğine sahiptir. EPX 200 reçine, yoğun kıvamlı özel bir reçinedir. Mukavemeti ve kimyasal dayanımı yüksektir. 120°C sıcaklığa kadar dayanıklıdır. Bu sayede yüksek sıcaklığa maruz kalan zeminlerde rahatlıkla kullanılabilir. Kürlenme süresi 2 [saat], tam donma süresi 24 [saat]tir. Yoğunluk değeri 1,15[gr/cm³ ]‘tür. Transparan bir görünüme sahiptir.

* Reçinelerin genel özelliklerine dayandırılarak bu değer alınmıştır.

Tablo 2. Seçilen matris malzemelerinin özellikleri

Crystal Clear 200 reçine, saydamlık gerektiren işlemler için kullanılabilir. Düşük viskoziteli, kolay karıştırma ve dökme sağlar. Oda sıcaklığında çok düşük oranda büzülme ile sertleşir. Sertleştiğinde UV dayanımlıdır ve kırılgan değildir.F-1564 Epoksi, düşük viskoziteli ve yüksek esnekliğe sahip laminasyonlarda kullanılabilir. Saydama yakındır. Sertleştirici olarak F-3487 kullanılabilir.

3.2. Takviye (Fiber) Malzeme Seçimi

Matris içerisine yerleştirilen, dayanımları matristen daha yüksek olan takviye malzemeler, fiber malzeme olarak adlandırılır. Fiber malzemenin mekanik özellikleri, üretilen kompozit malzemenin mekanik özellikleri üzerinde oldukça etkilidir. Bu çalışmada kırılma indisi ve mukavemet özellikleri göz önünde bulundurulduğunda fiber malzeme olarak cam elyaf seçilmiştir.

3.2.1. Cam Elyaf (Glass Fiber)

Elyaf takviyeli kompozit üretiminde en çok kullanılan elyaf türlerinden biridir. Cam elyaf, eritilmiş camın, özel tasarlanmış, tabanında küçük delikler bulunan özel bir fırından basınç altında geçirilmesiyle üretilir. Yüksek çekme mukavemetine sahiptir (Tablo 3). Isıl dirençleri düşüktür. Kimyasal malzemelere karşı dirençlidir. Nem absorbe etme özellikleri yoktur. Elektriği iletmezler. Uygun reçineyle kürlendikten sonra fotovoltaik hücre laminasyonu için kırılma indisi, suyun kırılma indisine yakın olur.

Tablo 3. Cam Elyaf Özellikleri

3.2.1. Kırpık (Dikişsiz) Cam Elyaf (BMC1-06)

Kırpılan demetlerin belli bir boyda bir bağlayıcı ile bir araya getirilmesi sonucu elde edilir. Hazır kalıplama bileşimi ve termoplastik bileşimlerinde kullanılan, belirli uzunluklarda kırpılan ve ambalajlanan liflerdir. Mukavemeti diğer cam elyaftan daha düşüktür. Ancak çalışma şartlarımız için daha müsaittir.

3.2.2. Dikişli Cam Elyaf

Dikişli cam elyaflar üretimi yapılacak olan kompozit malzemelerin mukavemet değerlerini iyileştirmek için kullanılan yapılardır. Çok tabakalı üretimlerde eğilme ve darbe dayanımını artırmak için kullanılırlar. İyi döküm, ıslaklık ve maliyet etkinliği sağlarlar. Dikişleri beelirli açılarla düzenlenerek farklı mukavemet ve kullanım aralığı oluşturulur ancak transparanlık konusunda kırpık (dikişsiz) cam elyaf kadar iyi değildir. Bu yüzden laminasyonda fotovoltaik hücrenin üst yüzeyi (güneş alan) için kullanımı çok uygun değildir. Laminasyonda fotovoltaik hücrenin arka yüzeyinde (güneş almayan) kullanılarak daha iyi mukavemet değerleri elde etmek amaçlanmıştır.

4. Polimer Kompozit Üretim Yöntemi

Seçilecek üretim yöntemi; fiber malzemesine (elyaf), matris malzemeye (reçine, epoksi), parça şekline, istenen mekanik özelliklere ve üretim hızına bağlı olarak farklılık gösterir. Kompozit malzemelerin üretiminde bazı hususlar dikkat edilmelidir. Bu hususlar; fiber malzemenin eşit aralıklı ve homojen bir dağılım göstermesi, fiber malzemelerin mekanik temaslara karşı hassas oldukları için matris tarafından iyice ıslatılması ve fiber ile matris arasında kuvvetli ara yüzeyin oluşturulmasıdır. Bu çalışmada fotovoltaik hücre laminasyonu için uygun olan üretim yöntemi olarak vakum destekli reçine infüzyon kalıplama yöntemi [1][7] seçilmiştir. Şekil 2’de yöntemin uygulanmasında tabaka dizilimi görülmektedir.

Şekil 2. Vakum Destekli Reçine İnfüzyon Kalıplama [1] Yöntemi

4.1. Vakum Destekli Reçine İnfüzyon Kalıplama Yöntemi

Vakumlanmış ortam içerisinde reçinenin ilerlemesi prensibiyle çalışan bu yöntemde, imalat hazırlıkları tamamlanmış ürünün el değmeden üretimi amaçlanmaktadır. Çoğu zaman karmaşık yapılara sahip kompozit elemanların üretimi için kullanılan bu yenilikçi metotta, malzemelere emdirilen reçinenin uygun viskoziteli olması önemlidir. Dar aralık ölçülerinin ve uzun akış yollarının söz konusu olduğu yerlerde reçinenin mümkün olduğu kadar kısa sürede fiberlere emdirilmesi gerekmektedir.

4.1.1. Vakum Destekli Reçine İnfüzyon Kalıplama Yöntemi ile Kompozit Malzeme Üretim Aşamaları

• Kalıp yüzeyinde yağ, toz gibi yabancı maddeler bulunmamalıdır. Yağ ve toz gibi maddeler yüzeyden ayrıştırılıp temizlenir, • Temizlenen kalıp yüzeyine kalıp ayırıcı film serilir, • Fiberler kalıba uygun olacak şekilde kesilir. Üst üste ve kullanıma uygun sırasıyla serilir, • Yüzey pürüzlülüğünü sağlayan katman kalıp boyunca serilir, • Kalıbın etrafına vakum ve reçine hattı ayarlanır. Kalıbın üzeri vakum torbası ile kapatılır ve oluşturulan sistemin sızdırmazlığı kontrol edilir, • Vakum pompası ile düzenek içerisindeki hava boşaltılır, • Belirlenen miktara göre reçine, gerekli sertleştiriciyle karıştırılarak hazırlanır. Bir hazneye konulan reçine, hatta bağlanıp sisteme aktarılır, • Reçine, kalıbın her bir noktasına temas edene kadar işlem sürdürülür. Ardından kürleme süresi boyunca beklenir, • Kürleme işlemi biten parçanın, vakum torbası ve hatları sökülür ve parça kalıptan ayrılır.

5. Üretim Denemeleri

Ana üretim hedefimizde kullanılacak olan hücreler, mono silikon arka yüzeyinde kutupları olan C60 tipi fotovoltaik hücrelerdir. Fakat ana üretime geçmeden önce pratik yapmak, deneyim kazanmak, nerede hatalar olabileceğini tespit etmek ve doğru malzeme seçmek içim ön yüzeyinde ince yolar ve kutbu olan hücreler ile test üretimi yapılmıştır.

Şekil 3. Deneme üretimlerinde işlemler

5.1. Fotovoltaik Hücrelerin Lehimleme İşlemi 5.1.1. Ön Yüzeyden Bağlantılı Fotovoltaik Hücrelerin Lehimleme İşlemi

• Öncelikli olarak fotovoltaik hücre, lehimleme işlemi gerçekleştirilecek çalışma masasına, düz bir zemin üzerine dikkatli bir şekilde yerleştirilmiştir, • İkinci adım olarak kalem lehim yardımı ile hücrenin lehim yapılacak noktalarına ve yassı birleştirme teline lehim sürüldü, • Lehim ve pasta sürme işleminin ardından üç ayrı birleştirme telini fotovoltaik hücrenin güneş alan yüzeyinin (üst yüzey) kontak noktalarına düz olacak şekilde tek tek lehimleme işlemi yapıldı, • Üst yüzdeki lehimlenen telleri hücrenin dışından bütün tellere değecek şekilde başka bir tel ile lehimleme işlemi yapıldı, • Aynı işlem fotovoltaik hücrenin arka yüzeyindeki kontak noktalarına yapıldı ve üst yüzeyde tellerin birleştirildiği kenara zıt kenarda arka yüzeydeki yassı birleştirme tellerini başka bir telle lehimleme işlemi yapıldı, • Bu şekilde iki adet ön yüzey kutuplu fotovoltaik hücre laminasyon için hazırlandı.

5.2. Fotovoltaik Panellerin Laminasyon İşlemi

• Reçine sızdırmazlık tabakası çalışma şartlarına göre kesilerek ısıtma masasının üzerine serildi, • Sızdırmazlık tabakasının bütün kenarlarını sızdırmazlık bantı ile üretim tezgahına yapıştırıldı (Şekil 3(a)),

Şekil 4. Vakum destekli reçine transfer yöntemi ile yapılan deneme üretimi

• İki ayrı hücrenin laminasyonunu yapıldığı için çalışma alanının bir tarafına tek katmanlı kırpık cam elyaf, diğer tarafına çift katmanlı kırpık cam elyaf yerleştirildi. Bu cam elyafların üzerine ise fotovoltaik hücreler güneş gören yüzeyi altta kalacak şekilde yerleştirildi. Üzerine 45oC dikişli cam elyaf yerleştirildi. Bütün kumaş yüzeyleri kapatılacak şekilde soyma kumaşı serildi, • Cam elyaflara daha düzgün bir biçimde reçine emdirmek için kumaşların üzerine reçine yayma filmi serildi. Reçine besleme boruları ve vakum boruları düzeneğe yerleştirildi (Şekil 3(d)), • Vakum torbası ile çalışma alanı kapatıldı. Reçine besleme girişleri için delikler açıldı. Sistemin sızdırmazlığı sağlandı ve kontrol edildi, • Sistemin sızdırmazlığının uygun olmasıyla birlikte reçine ve sertleştirici hazırlama aşamasına geçildi. Bu üretimde kullanılan reçine Araldite LY 1564 SP’dir. Kullanılan sertleştirici ise F-3487’dir. 1/3’lük oranla reçine ve sertleştirici birkaç dakika boyunca karıştırıldıktan sonra reçine besleme borusundan infüzyon edildi (Şekil 4), • Son olarak üretim tezgâhı 80°C’ye ayarlandı ve 480 dakika boyunca kürleme işlemi gerçekleştirildi.

5.2.1. Laminasyonu Yapılan Fotovoltaik Hücreler

Araştırmanın ilk aşaması olarak üretilen ön yüzeyden kontaklı fotovoltaik hücreler Şekil 5’te incelenebilir. Bu hücrelere ait test verileri ise ilgili bölümde sunulmuştur.

Şekil 5. Üretilen ön yüzeyden kutuplu fotovoltaik hücreler

Deneme üretimlerinin ardından, laminasyonu yapılan hücrelerin elektriksel performanslarının ölçülmesine geçilmiştir.

Şekil 6. Test düzeneği ve şematik gösterimi

6. Gerçekleştirilen Testler ve Sonuç

Seçilen polimer kompozit yapı ile lamine edilen hücreleri test için hücreler dış ortamda güneş ışığı altında test edilmiştir. Işınım değeri, taşınabilen bir ışınım ölçerle, hücre sıcaklık değeri ise kızılötesi taşınabilir bir termometre ile test esnasında ölçülmüştür. Testin amacı, laminasyonun ardından hücrenin verim kaybını belirlemektir. Hücre verimi standardı, laboratuvar koşullarında AM 1.5 standardına göre, 1000 [W/m²] ışınım altında 250C’de belirlenmektedir. Başka bir tanımla bu ışınım değeri ile verilen enerjiye karşılık hücreden elde edilen enerji oranıyla belirlenir. Bu çalışmada ise dış ortamda, laminesiz ve üretilen hücreler arasındaki farklar gözlemlenmeye çalışılmıştır.

Tablo 4. Deney esnasındaki ölçümler

Lamine edilmiş fotovoltaik hücrenin ve laminesiz fotovoltaik hücrenin akım-gerilim değerleri karşılaştırıldığında laminasyon sonucu oluşan kaybın yüzde yirmi civarında olduğu görülebilir. Laminasyon sonucu verim kaybı, verimlilik hesaplamasından ölçülen değerler esas alındığında, kullanıma uygun olabilecek bir laminasyon olduğunu göstermektedir. Ancak, farklı matris ve fiberler de denenmeli, tekniğin ve katmanların kullanımının geliştirilmesi gerekmektedir. Ek olarak, fotovoltaik hücre laminasyonunda polimer kompozit yapı kullanımında zaman içerisinde yapının sararıp, hücre verimini düşürmemesi adına, seçilen matris malzemeleri için bu özelliğe de dikkat edilmeli, gerekli ise üretimin ardından uygun kimyasal uygulaması yapılmalıdır.

Teşekkür

Yazarlar, Dokuz Eylül Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü’nde lisans bitirme projesi çerçevesinde yapılan bu araştırma esnasında özveri ile yardım eden Ar. Gör. Akar Doğan ve Sonay Doğan’a malzeme desteğinden dolayı, Mekanik Laboratuvarı ve Solaris Güneş Arabası Ekibi’ne teşekkür eder.

Deniz Aksoy Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü

Ali Kaan Kara Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü

Emin Kaan Türkay Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü

Hasan Yıldırım Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü

Dr. Aytaç Gören Dokuz Eylül Üniversitesi (DEÜ) Makina Mühendisliği Bölümü (MM) Otomatik Kontrol ve Robotik Laboratuvarları (ACRL) Université de Picardie Jules Verne (UPJV) Laboratoire des Technologies Innovantes (LTI)