Katılar ve Özellikleri
Güneş pilleri üretiminde kristal silisyum, amorf silisyum, galyum arsenit, kadmiyum sülfür ve kadmiyum tellür gibi yarı iletken maddeler kullanılır. Dünya genelinde fotovoltaik alanında en yaygın kullanılan teknoloji kristal silisyum teknolojisidir; günümüz fotovoltaik pazarının %85'ten fazlası kristal silisyum güneş hücrelerinden oluşur, çünkü silisyum elektriksel, optik ve yapısal özelliklerini uzun süre koruyabilir. 2022'de Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi ve Konya Ovası Projesi (KOP) Bölge Kalkınma İdaresi iş birliğiyle Türkiye'nin ilk endüstriyel boyutta kristal silisyum ingot (kütük) külçesi üretilmiştir; ülkemiz güneş paneli üretiminde Avrupa'da birinci, dünyada dördüncü sıradadır.
Katının Genel Özellikleri
Katı, maddenin en düşük enerjili ve en düzenli hâlidir. Tanecikler arası çekim kuvveti katılarda son derece güçlüdür ve tanecikler sadece titreşim hareketi yapar. Katılar belirli bir şekle ve hacme sahiptir, ısıtıldığında genleşir; tanecikleri arasındaki boşluklar yok denecek kadar az olduğundan sıkıştırılamaz.
Amorf ve Kristal Katılar
Katılar temelde amorf ve kristal olmak üzere ikiye ayrılır.
Amorf katıları oluşturan tanecikler düzensiz bir yapıya sahiptir ve belirli bir geometrik düzen göstermez. Bu nedenle amorf katılar belirli bir erime ve donma noktasına sahip değildir. Cam, lastik, plastik, mum ve tereyağı gibi maddeler amorf katılara örnektir.
Kristal katıları oluşturan tanecikler ise aynı şekilde tekrarlayan düzenli bir yapı oluşturur. Bu nedenle kristal katılar belirli bir geometrik şekle ve belirli bir erime/donma noktasına sahiptir. Kristal katıyı oluşturan tanecikler üç boyutlu bir kristal örgü içinde belirli bir düzene göre dizilir; bütün örgünün tüm özelliklerini gösteren en küçük örgü parçasına birim hücre denir. Günlük hayatta karşılaşılan katıların çoğu kristal katılardır.
Kristal Katıların Dört Türü
Kristal katılar, katıyı oluşturan birime dayalı olarak dört gruba ayrılır:
1. İyonik Katılar
Örgü noktalarında iyonların bulunduğu katılardır; sofra tuzu (NaCl) ve kalsiyum oksit (CaO) örnektir. Pozitif ve negatif yüklü iyonlar arasındaki elektrostatik kuvvetlerle (iyonik bağ) bir arada tutulur. Genellikle yüksek erime noktasına, sertliğe ve kırılganlığa sahiptir; katı hâlde elektriği iletmez (NaCl'nin erime noktası 801°C, elektrik iletkenliği yoktur). Diğer örnekler: KI, CaF₂, MgO, ZnS.
2. Moleküler Katılar
Örgü noktalarında moleküllerin bulunduğu katılardır; buz (katı H₂O) ve kuru buz (katı CO₂) örnektir. Kristal örgüsünde molekülleri bir arada tutan kuvvetler dipol-dipol etkileşimi, hidrojen bağı ve London kuvvetidir (moleküller arası etkileşimler, kovalent bağdan çok daha zayıftır). Bu nedenle genellikle düşük erime noktasına ve yumuşaklığa sahiptir; elektriği iletmez (buzun erime noktası 0°C, kuru buzunki −79°C). Diğer örnekler: I₂, P₄, NH₃, SO₂, C₆H₁₂O₆ (glikoz), naftalin.
3. Kovalent Katılar
Örgü noktalarında kovalent bağlı atomların bulunduğu katılardır; elmas ve grafit örnektir. Bu katılar kovalent bağlarla bir arada tutulur. Genellikle çok yüksek erime noktasına ve sertliğe sahiptir (elmasın erime noktası 3550°C, Mohs sertliği 10,00 — bilinen en sert doğal malzeme); elektriği genellikle iletmez (istisna: grafit, elektrik iletkenliğine sahiptir çünkü katman içi delokalize elektronlar içerir). Diğer örnek: kuvars (SiO₄).
4. Metalik Katılar
Örgü noktalarında elektron denizi ve metal katyonlarının bulunduğu katılardır; sodyum (Na) ve magnezyum (Mg) örnektir. Metalik bağlarla bir arada tutulur. Düşük veya yüksek erime noktasına sahip olabilir, genellikle yumuşak veya sert, parlak ve elektriği iyi ileten özelliktedir (alüminyumun elektrik iletkenliği 3,8×10⁷ S/m gibi yüksek bir değerdir). Diğer örnekler: Zn, Al, Ca, Fe, Cu.
Kristal Katı Türü ile Fiziksel Özellikler Arasındaki İlişki
Aşağıdaki tablo, farklı kristal katı türlerinin karşılaştırmalı özelliklerini bazı gerçek verilerle özetler:
| Kristal Katı | Erime Noktası (°C) | Isı İletkenliği (W/m·K) | Elektrik İletkenliği (S/m) | Sertlik (Mohs) |
|---|---|---|---|---|
| Elmas (kovalent) | 3550 | 1000,00 | İletmez | 10,00 |
| Kuvars (kovalent) | 1785 | 8,79 | İletmez | 7,00 |
| Kalsiyum oksit (iyonik) | 2572 | 19,50 | İletmez | 3,50 |
| Sodyum klorür (iyonik) | 801 | 3,13 | İletmez | 2,50 |
| Alüminyum (metalik) | 660 | 237,00 | 3,8×10⁷ | 2,75 |
| Sodyum (metalik) | 98 | 72,10 | 2,1×10⁷ | 0,50 |
| Buz (moleküler) | 0 | 1,60 | İletmez | 1,50 |
| Kuru buz (moleküler) | −79 | 0,28 | İletmez | 2,00 |
Bu tablodan çıkarılabilecek genel eğilim şudur: kovalent katılar genellikle en yüksek erime noktasına ve sertliğe sahiptir (güçlü kovalent bağlar tüm örgüyü kaplar); iyonik katılar yüksek erime noktalı ama kırılgandır; metalik katılar iletken ve genellikle şekillendirilebilirdir; moleküler katılar ise zayıf moleküller arası kuvvetler nedeniyle en düşük erime noktasına sahiptir. Bir kristal katının erime noktası, o katıyı bir arada tutan etkileşimin gücüyle doğrudan ilişkilidir: etkileşim ne kadar güçlüyse (kovalent bağ > iyonik bağ > metalik bağ > hidrojen bağı > dipol-dipol > London kuvveti), katıyı eritmek için o kadar fazla enerji gerekir.