Güneş enerjisi sistemleri nasıl çalışır?

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.


Diğer bütün parçacıklar gibi foton da kuantum mekaniği ile yönetilir ve dalga parçacık ikiliği gösterir.
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.