Fransız
Alexandre Edmond Becquerel’in, 1839‘da, henüz 19 yaşındayken, babasının fizik
laboratuvarında yaptığı ilk gözlemleriyle başlayan buluşu nasıl geliştirildi?
Yüksel
Atakan, Dr.Radyasyon Fizikçisi, ybatakan3@gmail.com, Almanya
Güneş, devasa enerjisini (*) milyarlarca yıldır ışıyarak yayıyor ve bu ışımanın ‚4 milyar yıl kadar‘ daha
süreceği kestiriliyor. 1700’lü yıllarda dünyaca tanınmış fizikçi Newton’a
– Güneş ışığı, güneşte nasıl ortaya
çıkıyor, ışığın kaynağını fizikte nasıl açıklarsınız? diye sorduklarında – o
Tanrı’nın işidir, bilemem demiş ! Bugün artık, güneş ışınlarının, güneşteki
hidrojen, döteryum, trityum, helyum gibi hafif atom çekirdeklerinin çok yüksek
sıcaklık ve basınç altında FÜZYON dediğimiz olay sonucu kaynaşmaları sırasında
oluştuğunu biliyoruz.
Güneş enerjisinden insanların çok az da olsa yararlanmaları ise yeni
olmayıp, insanların yer yüzünde dolaşmalarıyla başlıyor. Güneş enerjisini doğru
düzgün kullanmaları da Milat‘tan 7 YY öncesine kadar gidiyor. İnsanlar, başlangıçta ya kızgın güneş
altındaki yerlerde ya da büyüteçlerle, aynalarla güneş ışınlarını odaklayıp
ateş yakarak yemek pişiriyorlar ve güneş
ışınlarıyla ısıtılan odalar yapıyorlardı /1/. Milattan önce 3.YY’da Yunanlılar
ve Romalılar ‚yakan aynalarla‘ kutsal meşaleleri‘ dini törenlerde
ateşliyorlardı. Yunanlı Arşimed’in, MÖ 3.YY“da,
Romalı‘ların tahtadan bir savaş gemisini bronz aynalardan yansıttığı
güneş ışınlarıyla yaktığı ve Roma askerlerinin karaya çıkamadıkları öyküsü,
anlatılır. Bunun doğruluğu kanıtlanamasa da, Yunan donanmasının, 1970’de
tahtadan bir deneme gemisini bronz aynalardan yansıtılan güneş ışınlarıyla 50
metre uzaktan yaktığı ve eski öykünün doğru olabileceğini gösterdiği ise bir
gerçek /1/.
Güneş ışınlarının bir metal yüzeye çarptığında, elektrik oluşturduğu,
ilk kez 19.YY’da gözlemleniyor. Fransız fizikçi Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891), fizik profesörü
olan babası Antoine Cesar Becquerel‘in laboratuvarında o zamanlarda ilk
sayılacak pillerle uğraşıyor ve bazı deneyler yapıyordu. Elektroliz
deneylerinde, platin anod ile katod arasındaki akım şiddetinin, ışıklı
laboratuvarda, karanlıktakinden biraz daha fazla olduğunu görünce, ışığın
elektrolizde elektrik akımını artırdığı sonucuna, henüz 19 yaşındayken,
varıyor. Bu, sonradan fotovoltaik olay olarak adlandırılıyor. Ancak ışığın ya
da elektromanyetik radyasyonun, o zamana kadar klasik fizikte bilinen dalga
kuramıyla bu olayın temelini, Becquerel de daha sonraki araştırmacılar da,
açıklayamıyorlar. Edmond Becquerel (**) bu arada güneş ışığı tayfındaki kısa
dalgalı mor ışınları da buluyor.
A.E.Becquerel’in 1839’daki bu gözleminden sonra, 1873’de Willoughby Smith,
Selenyum’un iyi bir fotoiletken olduğunu buluyor. 3 yıl sonra da 1876‘da
William Grylls Adams ve öğrencisi Richard Evans Day, fotovoltaik yöntemi
Selenyum’a uygulayıp gerçekten de Selenyum’un ışıkta elektrik akımını
artırdığını kanıtlıyorlar. 1883’de ABD’li araştırmacı Charles E. Fritts,
selenyumu çok ince bir altın tabakasıyla kaplayarak çalışan ilk güneş hücresini
yapıyor. Fotovoltaik olayın nasıl olduğu o günlerde anlaşılmadığından Fritts, tanınmış bir uzman
olan Werner von Siemens ile ilişki kuruyor ve Siemens, Fritts‘in güneş
hücresinin çalıştığını deneylerle doğruluyor.
Fotovoltaik olayın dayandığı temel, fizikte 1900‘lü yılların başlarına
kadar anlaşılamadığından, güneş ışınlarından elektrik elde etmenin
teknolojisinde de pek ilerleme olmuyor.
Einstein ışığın, kendi frekansıyla orantılı olacak şekilde kesikli enerji
paketçiklerinden (taneciklerinden, kuantalardan ya da fotonlardan) oluştuğunu,
ışınlar bir metal yüzeye çarptıklarında fotonlar bu enerjilerini, elektronlara
aktararak, bunları atomlardan söküp, serbest bıraktığını 1905’deki bilimsel
makalesinde ‚fotoelektrik olay‘
olarak açıklıyor.
……………………..
(*) 5 000 trilyon kWh kadar (Birim için yazının sonuna bkz.).
Einstein’ın bu açıklamasını, ABD’li Rober Millikan yaptığı
deneylerle 1916’da doğruluyor. Einstein’a, çok bilinen Görelilik / Relativite
buluşu nedeniyle değil, ‘Fotoelektrik Olay’a getirdiği bu açıklama sonucu,
1921’de Nobel Ödülü veriliyor.
Fotovoltaik olay, temelde
fotoelektrik olaya dayanıyor, ancak aralarında önemli bir fark bulunuyor. Her iki
olayda da soğurulan ışık (fotonlar), bir elektronun ya da yüklü bir parçacığın
daha yüksek bir enerji düzeyine yükselmesiyle sonuçlanıyor. Fotoelektrik
olayda, güneş ışınlarından
(fotonlardan) iletken (metal) malzemenin cinsine bağlı olarak belirli bir eşik
enerjinin üzerinde enerji alan
elektronlar tam serbest kalırlarken , fotovoltaik
olayda, elektronlar yarıiletken malzemenin içinde (örneğin silisyum) yönlendirilerek
bir elektrik akımı oluşturuyorlar ve böylece güneş ışınlarının enerjisi,
elektrik akımına dönüştürülüyor . Buradan güneş hücrelerinde neden metallerin
kullanılmalarının uygun olmadığı da anlaşılabilır.
Yarıiletken bir madde olan
silisyumun özellikle kristal yapısı güneş hücresi olarak çok uygun.
Siliisyum atomunun 3 yörüngesinde toplam 14 elektron bulunuyor. İlk 2 yörüngede
sırasıyla 2 ve 8 elektron bulunuyor ve bunlar tümüyle dolu. Dış yörünge ise 4
elektron boşluğuyla sadece yarı dolu. Bu yörünge komşu atomlardan elektron
çekip doldurmaya ya da komşu atoma elektron vermeye eğilimli olduğundan
silisyum yarıiletken güneş hücresi olarak çok uygun bir madde.
Şekil 1a: Fotovoltaik
olayın temeli olan Fotoelektrik olayda
kısa dalgalı ışık fotonlarının, metal yüzeyden söktükleri elektronlar serbest
kalıyorlar. Daryl Chapin (1906 – 1995) ve Gerald Pearson (1905 – 1987), Calvin Fuller (1902 – 1994))
yarıiletken silisyum güneş hücrelerini, birlikte gerçekleştirerek, güneş enerjişini doğrudan elektriğe dönüştüren araştırmaların teknolojide gelişmesine 1954’de çok büyük katkıda bulundular (ATT Bell Labs)
Güneş hücrelerinin ortaya çıkarılmasında ve
geliştirilmesinde bir çok fizikçi katkıda bulunuyor /1/. A.Edmond Becquerel
fotovoltaik olayın perdesinin aralanmasını sağlarken, güneş hücrelerinin ortaya
çıkmasının öncülüğünü ise Charles E. Fritts (1850-1903) yapıyor. Daha sonra
Einstein’ın yukarıda belirtilen
çalışması ışığın karakterinde çığır açarak fotovoltaik teknolojinin
gelişmesini sağlıyor. Transistörlerin bulunmasından hemen sonra da
1941’de Russel Ohl kullanılabilecek ilk güneş hücresini yapıyor. Bell
laboratuvarında çalışan üç araştırmacı 1954’de (Daryl Chapin, Calvin
Fuller ve Gerald Pearson) yarıiletken silisyum
maddesinden güneş hücreleri yapıyorlar /1,2,3/.
İlk
güneş hücreleri nerede kullanıldı?
16 cm çapındaki fotovoltaik güneş hücreleri ilk kez
1958‘de Vanguard 1 Uydusunda kullanılıyor ve 7 yıl boyunca uydunun dünyaya veri
aktarması böylece sağlanıyor. 1955–1973 arası, fotovoltaik yöntemle elektrik
üretimi, hem veriminin düşük (% 6 kadar) hem de pahalı olması nedeniyle ancak
uzay teknolojisine ve bazı yerlere sınırlı kalıyor, fazla yayılamıyor.
1973’deki petrol krizi, 1979 ABD Harrisburg TMI ve
1986 Çernobil nükleer santral kazaları, güneş ışınlarından fotovoltaik
yöntemiyle elektrik üretimine hız verilmesine ve bu konuda büyük paralar
ayrılarak bu teknolojinin gelişmesine yol açıyorlar.
Her geçen yıl tüm dünyada güneş ışınlarından
fotovoltaik yöntemle elektrik üretimi gitgide artıyor. Dünyada 2019’da güneş
enerjisinin toplam kurulu elektrik gücü, 500 GigaWatt ya da 100 adet büyük
nükleer santralın kurulu elektrik gücüne kadar yükseldi (Güneş Santralları en
çok % 20 verimle çalıştıklarından, yılda ürettikleri elektrik enerji, nükleer
santralların ancak 1/5 kadar).
Fotovoltaik yöntemle güneş ışığının
elektrik akımına çevrilmesini Şekil 3 ve
4 açıklamalarla gösteriyor.
Şekil 2 : Charles
Frıtts’in 1884’de NewYork’ta sergilediği ilk fotovoltaik panel
Şekil 3 : Bu örnekte 9 güneş hücreli (silisyum)
bir panele çarpan güneş ışınları, artı ve eksi yüklü silisyum (yarıiletken)
tabakaları arasındaki elektrik alanı sonucu voltaj oluşturarak elektrik akımı
üretmesi gösteriliyor.
Yarıiletken (örneğin silisyumdan) bir güneş paneline, güneş ışığı
çarpması sonucu, elektrik devresine elektrik akımının beslenmesi gösteriliyor.
Not
1:Güneş panellerinde bulunan sağlığa zararlı
kimyasal maddelerin azaltılmasıyla ilgili daha önceki yazımızdaki önerilerin
göz önüne alınarak gerekli önlemlerin alınması yararlı olabilir ve 25-30 yıl
sonra ülkemizin bir çok yerinin binlerce eski panel çöplüğüne dönüşmesi
önlenebilir umarız /4/.
Not 2: Güneş ışınlarından elektrik üretimiyle
ilişkili diğer konuları bundan sonraki yazılarımızda ele alacağız.
---------------------
(*)
1 Watt: Elektrik güç birimi olup ‘Enerji aktarım (transfer) hızını’
gösteriyor (enerji değil, enerjiyle karıştırılmamalı!). Güç (W)= Ws/s
Enerji birimi: WattSaniye (Ws) = Güç (Watt) x Saniye (s).
1 WattSaniye (1Ws): 1 saniyede üretilen ya da tüketilen 1 Joule’lük
enerji, elektrikte, 1 Ws’dir.
1 Joule: Örneğin 100 gramlık çikolata paketini yerden 1m
yukarıya kaldırmak için gereken enerji.
1 WattSaat (1 Wh) = Güç (Watt) x Saat (h).
1 kWh = 1000 Wh, 1 MWh= 1 Milyon Wh, 1 GWh= 1 Milyar Wh, 1
TWh= 1 Trilyon Wh= 1 Milyar kWh
Örneğin 1 milyar 100 Watt’lık ampulü 10 saat yakabilmek için 1 milyar
kWh’lık enerji gerekecek.
………………………..
(**) Alexandre Edmond Becquelerl’in oğlu olan Antoine Henri Becquerel,
Marie ve Pierre Curie ile birlikte uranyum’un radyoaktif olduğunu göstererek
radyoaktiviteyi açıkladılar ve
kendilerine bu buluşları nedeniyle Nobel ödülü verildi. Dededen toruna
kadar Becquerel’ler profesör olarak çalışıp bilime katkıda bulundular.
Not: Bu yazı HBT dergisinin 205 nolu sayısında 28 Şubat
2020 günü yayımlanmıştır.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder