Seven Sensor’un Referans Hücreleri ODTÜ-GÜNAM Tarafından Üretiliyor!

Dünya’da ve ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim her geçen gün artış göstermektedir. Güneş Enerji Santralleri (GES) ise yenilenebilir enerji bakımından büyük öneme ve paya sahiptir. Bu alanda fotovoltaik teknolojide silisyum ingot&wafer, hücre ve modül üretimini hedefleyen çok sayıda yatırım planlanmaktadır.

GES kullanıcıları güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüşümünü yani sahanın üretim performansını takip etmektedir. Performans takibi ise genel olarak izleme sistemlerinde yer alan Performans Oranı (PR) üzerinden gerçekleştirilmekte ve PR’ın doğru hesaplanması enerji üretim takibi bakımından büyük önem taşımaktadır. Işınım sensörleri, fotovoltaik panellerin aldığı güneş ışınımı miktarının ölçülmesinde oldukça önemli bir rol oynamaktadır. Bu sensörler yardımıyla güneş ışığı yoğunluğuna ilişkin veriler, güneş enerjisi sistemlerinin performansının izlenmesinde ve optimize edilmesinde önemli bir rol oynayarak verimlilik değerlendirmeleri ve sistem yönetimi için önemli rol oynamaktadır. Bu sensörlerin güvenilirliğini sağlamak için iyi karakterize edilmiş özelliklere sahip kararlı referans hücrelerinin kullanılması mecburidir.

SEVEN Sensör Çözümleri, tesisin verimliliğine doğrudan etkisi bulunan ışınım değerini en doğru şekilde ölçebilen Fotovoltaik Piranometre bir diğer adıyla Referans Hücre Işınım Sensörü üreticisidir. Bu sensörlerinde kullanılan güneş hücreleri ise sahada yer alan güneş hücreleri ile bire bir aynı yapıya sahiptir ve fiziksel olarak küçültülmüş halidir. Böylelikle güneş panellerine gelen ışınım, aynı yapıya sahip güneş hücresi tarafından ölçülmektedir.

Işınım Sensörlerinde kullanılan güneş hücrelerinin güvenilirliği PR değerinin doğruluğunu doğrudan etkilemektedir. Yani hücrenin doğal saha koşullarında uzun süre kararlılığını koruyarak doğru ölçüm yapabilmesi gerekmektedir. Seven Sensör Çözümleri, hücre üretimi konusunda ODTÜ-GÜNAM ile ortak çalışma yürütmektedir. Bu ortak çalışma ile birlikte ODTÜ-GÜNAM, uzun süre kararlılığını koruyan ve en doğru ölçümü yapabilmeye olanak sağlayan güneş hücreleri üretimini araştırma ve üretim altyapısında gerçekleştirmektedir.

Fotovoltaik Hücreler

Yaygın olarak güneş pilleri olarak bilinen fotovoltaik (PV) hücreler, güneş ışığını fotovoltaik etki yoluyla doğrudan elektriğe dönüştüren yarı iletken cihazlardır. Bu fenomen, fotonlar ile yarı iletken malzemeler arasındaki etkileşime dayanır ve elektrik akımının akışına yol açar. Hem üretildikleri malzeme sistemine hem de tasarımlarına göre çok sayıda fotovoltaik hücre türü bulunmaktadır. Bu bağlamda uygulama alanına bağlı olarak en verimli performans sağlayacak hücre tipini seçmek büyük önem arz etmektedir. Günümüz piyasasında Işınım Sensörü üretiminde kullanılan çeşitli tipte referans hücreleri mevcut olsa da malzeme ve tasarımdaki ilerlemeler daha fazla doğruluk ve güvenilirliğe katkıda bulunabilmektedir. Kristal silisyum tabanlı güneş hücreleri 20 yılı aşan ömürleri ve kararlı davranışı nedeniyle ışınım sensörü üretiminde tercih edilmektedir. ODTÜ-GÜNAM’ın önerdiği kristal silisyum tabanlı PERC tipi güneş hücreleri, SEVEN Işınım Sensörlerinin hassas ışınım ölçümleri için uygun teknoloji olarak seçilmiştir. Titiz bir imalat ve test yoluyla bu çalışma, ışınım sensörleri için sağlam ve güvenilir bir referans standardının oluşturulmasına katkıda bulunmayı, doğru ve tutarlı güneş enerjisi değerlendirmelerini kolaylaştırmayı amaçlamaktadır.

PERC Hücre Teknolojisi

PERC hücre teknolojisi önerildiği günden günümüze kadar olgunlaşma sürecini büyük ölçüde tamamlamış ve yaklaşık 10 yıl boyunca hem santral hem de çatı uygulamalarında kullanılmaktadır. Referans hücre seçiminin degradasyon davranışlarının hem laboratuvar test ortamlarında hem de sahada büyük ölçüde ortaya konulan hücre tipinde seçilmesi bu noktada önemli görülmüştür. SEVEN Sensör Çözümleri için PERC güneş hücre tasarımı p-tipi silisyum waferlar üzerine kurgulanmış olup üretim bor (B) veya galyum (Ga) katkılı silisyum waferlar ile gerçekleştirilmektedir. Bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen üretimde ise bu hücre tipinde alttaş içerindeki bor atomları ile oksijen atomlarının birleşmesi ile oluşan Boron-Oksijen komplekslerinin neden olduğu LID (Light Induced Degredation) etkisinden kaçınmak amacı ile galyum katkılı p-tipi silisyum waferlar tercih edilmiştir. Üretim 156,75mmx156,75mm (M2) boyutlu, 180±5µm kalınlığında waferlar üzerinde 3,1cmx3,1cm boyutlarında 15 adet hücre tanımlanarak gerçekleştirilmiştir. Sonrasında lazer yardımıyla referans hücreler kesilerek hazır hale getirilmiştir.

SEVEN Işınım Sensörleri Hücre Üretimi

PERC referans hücre üretimi simülasyon çalışmaları ile SEVEN için belirlenen tasarım doğrultusunda ODTÜ-GÜNAM fotovoltaik pilot üretim hattında gerçekleştirilmiştir. Galyum katkılı p-tipi silisyum waferlar ilk işlem olarak waferların dilimlenme aşamalarında yüzeyde oluşan tel hasarlarının giderilmesi amacı ile potasyum hidroksit (KOH)/DI su çözeltisinde tel hasarı aşındırma işlemine tabii tutulmuş ve sonrasında yüzeydeki yansıma oranını düşürmek amacıyla texturing işlemi uygulanmıştır. Texturing işlemi ile yüzeydeki yansıma oranı kimyasal aşındırma ile oluşturulan piramidal yapılar sayesinde ≈%11 seviyesine düşürülmüştür. Texturing sonrası p-tipi sillisyum waferlar üzerinde fosfor (P) katkılama işlemi uygulanmış ve p-n eklemi oluşturulmuştur. Bir sonraki basamakta waferların arka yüzünde istenmeyen fosfor katkılı bölge tek teraflı aşındırma sisteminde kimyasal yolla aşındırılmıştır. Bu işlem sonrası örneklerin hem arka yüzünde hem de ön yüzünde pasivasyon ve ARC katmanlar ardışık olarak Atomik Katman Biriktirme (ALD) ve Plazma Destekli Buhar Biriktirme (PECVD) teknikleri ile oluşturulmuştur. Ön ve arka yüz pasivasyon işlemleri tamamlanmış örneklerin arka yüzünde lazer yardımı ile lokal kontak açıklıkları oluşturulmuş ve örnekler metalizasyon işlemi için hazır duruma gelmiştir. Üretilen PERC hücrelerde arka yüzde alüminyum ön yüzde ise gümüş metal kontaklar serigrafi yöntemi ile yüzeylerde oluşturulmuş ve metal kontak yakma fırınında uygulanan ışıl işlem sonrası hücre üretimi tamamlanmıştır. Hücre üretim akışı aşağıda şematik olarak verilmiştir.

Hücre Karakterizasyon Süreci

Üretim sonrası 31 mm × 31 mm özel boyutlarla üretilen PERC hücreler, SEVEN Işınım Sensörleri için referans hücreleri olarak performanslarını değerlendirmek üzere kapsamlı bir test ve karakterizasyon sürecine tabi tutulmaktadır.
Elektriksel karakterizasyon, açık devre voltajı (VOC), kısa devre akımı (ISC), doldurma faktörü (FF) ve verimlilik (η) gibi kritik parametrelerin ölçülmesiyle başlamaktadır. Bu ölçümler, standart test koşulları (STC) altında hücrenin elektriksel performansı hakkında bilgi sağlayarak doğruluk ve güvenilirlik açısından endüstri standartlarını karşılamasını sağlamaktadır. Bu ölçüm için ODTÜ – GÜNAM Test Karakterizasyon Birimi bünyesinde bulunan güneş simülatörleri ve optik ve elektriksel test ekipmanları kullanılmıştır. Sonuçlar aşağıdaki I-V grafiğinde açıkça gösterilmektedir.

Optik ve Elektriksel karakterizasyon yanı sıra, PERC hücrelerinin sıcaklık katsayısı, elektriksel performanslarının sıcaklık değişimleriyle nasıl değiştiğini anlamak için hesaplanmıştır. Sıcaklık katsayısı (Temperature Coefficient) tipik olarak santigrat derece sıcaklık değişimi başına hücre parametrelerindeki yüzde değişim olarak ifade edilir. Bu katsayısının belirlenebilmesi için üretilen hücreler değişen sıcaklıklara maruz bırakılmış ve kontrollü bir sıcaklık ortamı oluşturulurmuştur. Sıcaklık aralığı tipik olarak tam sıcaklık katsayısı aralığını yakalamak için hem düşük hem de yüksek ekstrem değerlerini içermektedir. Hücrelerin elektriksel parametreleri belirlenen aralık dahilinde farklı sıcaklıklarda ölçülmüş, toplanan veriler her parametrenin sıcaklık katsayısını hesaplamak için kullanılmıştır. Bu hesaplama sonucunda bulunan sıcaklık katsayısı değeri – 0,045 %/K olarak bulunmuştur.

Referans Hücrelerinin Sektördeki Mevcut Durumu

Referans hücreleri, güneş enerjisi uygulamalarında kullanılan ışınım sensörlerinin kalibrasyonunda ve doğrulanmasında kritik bileşenlerdir. Güneş ışınımını ölçmek, güneş panelleri ve sistemlerinin doğru ve tutarlı performans değerlendirmelerini sağlarlar. Şu anda referans hücreleri ağırlıklı olarak ASTM E927-10 gibi yerleşik standartlara sahip tek kristalli veya çok kristalli silikon gibi kristalin silikon (c-Si) teknolojisine dayanmaktadır
c-Si referans hücreleri geniş çapta benimsenmiş olsa da, devam eden araştırmalar bunların çeşitli çevresel koşullar altında doğruluğunu, stabilitesini ve spektral tepkisini geliştirmeyi amaçlamaktadır. SEVEN Sensör Çözümleri için ODTÜ – GÜNAM tarafından geliştirilenler gibi hücreler, gelişmiş spektral eşleştirme ve potansiyel olarak artırılmış dayanıklılık sunmaktadır.