Güneş’ten yayılarak Dünya’ya ulaşan ışınların, elektrik enerjisine dönüştürülmesi fotoelektrik etkisinin ikiz kardeşi sayılan fotovoltaik etkinin keşfi sayesinde olmuştur.
Fotoelektrik etkisi nedir?
Einstein, yerçekimi yasalarının yeniden yazılmasını ve kütle, enerji, uzay-zaman anlayışımızın kökünden değişmesini sağlayan keşiflerde bulunmuştur. Ancak Nobel Ödülü’ne layık görülen keşfi, bunlardan biri değil, fotoelektrik etkisini keşfetmek olmuştur.
Bu keşif, makroskobik ölçülerde önemsiz gibi görünmesine karşın mikroskobik olarak çok derin bir anlam taşımaktadır. Keşif, bugün modern fizik dediğimiz şeyin merkezi ilkesini oluşturmaktadır. Fotoelektrik etki, ışığın ikili doğasının kanıtıdır.
Heinrich Hertz, 1887 yılında metallerin aydınlatıldıklarında elektron saçtıklarını gözlemlemiştir. Ancak klasik fizikçiler tarafından eğitilmiş olan 19. yy. fizikçileri, dalga gibi hareket eden ışığın, nasıl olup da metalden elektronların dışarı atılabileceğini anlamakta zorlanmışlardır.
Ancak 1905 yılında Einstein, ışığın hem bir dalga hem de bir parçacık olarak davrandığını ileri sürerek binlerce yıllık bilgilere meydan okumuştur. Einstein’a göre fotoelektrik etkiye neden olan parçacıklardır. Bu parçacıklar, foton adını verdiği ayrı enerji paketçikleri yayarlar. Metal fotonla karşılaştığında fotonlar tıpkı bilardo toplarından birinin tek bir vuruşla 8 topu birden hareket ettirmesi gibi elektronların etrafa saçılmasına neden olurlar. İzafiyet teorisine göre, bir parçacığın ışık hızına ulaşabilmesi için kütlesinin sıfıra eşit olması gerekir. Bu da bize ışık enerjisinin sadece kinetik enerji olduğunu gösterir. Yani kütlesinden kaynaklanan bir enerjisi yoktur. Einstein’ın teorisi deneylerle doğrulanmış ve kesinliğinden şüphe duyulmayan bir bilgi olarak kabul edilmiştir.
Bununla birlikte foton zorunlu olarak elektron saçılmasına yol açmaz. Düşük enerjili fotonlar çarptığında, elektron dışarı çıkmaz. Hızı artar ama metalin içinde kalır ve eğer bu metal iletkense fotovotaik etki ortaya çıkar. Teknik olarak güneş enerjisinin, fotoelektrik etkiye dayandığı söylenebilir ancak minik bir ayırıcı özellik nedeniyle güneş enerjisi aslında fotovoltaik etkiye dayanır.
Fotovoltaik Hücre
Fotovoltaik hücre birbirine yapıştırılmış iki yarı iletkenden oluşur. Adından anlaşılacağı gibi yarı iletken, iletken bir materyal olan bakırdan daha az, yalıtkan bir malzeme olan kauçuktan daha fazla iletkendir.
Yarı iletkenler normalde yüksek sıcaklıkları iletirler. Ancak yarı iletkene bazı maddeler ilave edilerek, düşük sıcaklıkları da iletebilmeleri sağlanır. Doping adı verilen bu uygulamada yarı iletkene ya fazladan elektron taşıyan fosfor ya da fazladan elektronu olmayan bor ilave edilir. Elektronun atomu terk etmesi ile ardında bıraktığı boşluk (delik), pozitif yüke yol açar. Doping uygulamasında fazladan elektron taşıyan bir elementin (fosfor) kullanılması ile oluşan yarı iletkene p tipi, diğerine (bor) ise n-tipi yarı iletken denir.
Yarı iletkenler arasında bir akım yaratabilmek için oluşturulması gereken elektrik alanı iki tip yarı iletkenin birbirine yapıştırılması ile sağlanır. Bu sayede fotonlar şiddetle çarptığında, elektronlar düz bir yüzey boyunca yuvarlanmaz.
Bunun yerine yapışır veya bilardo masasında ıstaka ile tek bir topa vurularak, bütün toplarda meydana gelen dağılmaya benzer bir potansiyele yol açar. Fotonlar elektronlara çarpınca diğer uçtaki eğime doğru hareket eder ve burada ampule bağlı iletken tarafından yakalanırlar.
Kuşkusuz tek bir hücre tarafından üretilen akım, örneğin bir tost makinesini çalıştırmaya yetmez. Bu nedenle birçok hücre ızgaralar ve diziler oluşturmak üzere birbirine bağlanır. Bu ızgaralara güneş panelleri denir. Her bir hücreye yansıtıcı bir kaplama takılır böylece daha fazla ışık emmesi sağlanır. Eğimin tek yönlü olması nedeni ile yaratılan akım “Doğru Akım”dır. Doğru akımın alternatif akıma çevrilmesini sağlamak için paneller, özel olarak dizayn edilmiş bir cihaza bağlıdır.
Artılar ve Eksiler
Öyle görünmese de gezegenimizin enerji ile dolu olduğunu bilim insanları aslında çoktan keşfetti. Sıkıntısını çektiğimiz şey enerji değil, bu enerjiyi nasıl elde edeceğimiz konusundaki bilgi eksikliğimizdir. Örneğin iki yüzyıl önce enerji, sadece kömür yakılarak elde edilebiliyordu. Kömür kaynaklarının kısıtlı olması da büyük bir endişeye yol açıyordu. Oysa sonra Einstein E=mc² formülü ile bize atomların muazzam bir enerji kaynağı olduğunu gösterdi. Einstein’ın bu formülü endişeleri gideren devrimci bir buluş olmuştur. Bu durum bize bir bardak suyun bile 1,5 TWh (Terra-Wattsaat) potansiyel füzyon enerjisi depoladığını göstermiştir.
Bu perspektifle bakıldığında olağanüstü bir gerçek ortaya çıkar: 1 bardak suyun sahip olduğu enerji, kabaca bir şehrin bir yıl boyunca duyacağı enerji ihtiyacını karşılamaya yeterlidir. Ancak bu potansiyel enerjiyi nasıl kullanabileceğimize dair henüz bir fikrimiz yok. Bununla birlikte fotoelektrik etkiyi fark edene kadar Güneş enerjisini nasıl kullanabileceğimiz konusunda da bir fikrimiz olmadığını düşünecek olursak sınırlı olanın enerji değil, bilgimiz olduğunu daha net bir şekilde ortaya koymuş oluruz.
Bunun da ötesinde Güneş enerjisi, fosil yakıtlardan elde edilen enerji gibi doğayı kirletmez. Küresel ısınmaya yol açan sera gazı üretmez. Üstelik yarı iletkenlerin inanılmaz derecede küçülmüş solar hücreleri, insan saçından bile daha ince bir forma kavuşmuştur. Yani son derece küçük ve aynı zamanda verimli bir hale gelmeleri sağlanmıştır. Onları uzun zamandır hesap makineleri ve saatleri çalıştırmakta kullanıyoruz. Bunun yanı sıra güneş enerjisi uyduları ve uzay sondalarını çalıştırma konusunda muazzam bir öneme sahiptir.
Gelelim eksilere, Güneş enerjisi hava durumuna bağımlıdır. Bulutlu günlerde etkili şekilde çalışmaz. Güneş enerjisi elde ederken sera gazı üretilmez ama güneş enerjisini elde etme işinde kullandığımız cihazların ve ürünlerin elde edilmesinde sera gazı ve toksik kimyasallar ortaya çıkar. Üstelik bu teknolojinin ürünleri oldukça pahalıdır.
Yani sonuç olarak; geleceğin enerjisinin yenilenebilir enerji olduğu çok açık olsa da bunu başarabilmek için sadece doğa yasalarından kaçmanın yolunu bulmamız yeterli değildir. Yenilenebilir enerjinin yaygınlaşması için ekonominin yasalarını da aşmak zorundayız.