Araştırmacılar Yeni Nesil Güneş Pilleri Geliştirme Yolunda Önemli Bir Adım Attı

Nature Energy dergisinde 26 Şubat'ta yayınlanan bir makalede, Colorado Boulder Üniversitesi'nden bir araştırmacı ve uluslararası işbirlikçileri, perovskit hücreler olarak bilinen yeni güneş pillerini üretmek için yenilikçi bir yöntem açıkladılar; bu, birçok kişinin yeni nesil güneş enerjisi teknolojisi olarak gördüğü şeyin ticarileştirilmesi için kritik bir başarı.

Günümüzde neredeyse tüm güneş panelleri %22'lik bir verimliliğe sahip olan silikondan yapılmaktadır. Bu da silikon panellerin güneş enerjisinin sadece beşte birini elektriğe dönüştürebildiği anlamına geliyor çünkü malzeme güneş ışığının dalga boylarının sadece sınırlı bir kısmını emebiliyor. Silikon üretmek de pahalı ve yüksek enerji gerektiriyor.

Perovskite devreye giriyor. Sentetik yarı iletken malzeme, daha düşük bir üretim maliyetiyle silikondan çok daha fazla güneş enerjisini dönüştürme potansiyeline sahip.

Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü'nde profesör ve CU Boulder'ın Yenilenebilir ve Sürdürülebilir Enerji Enstitüsü'nde araştırmacı olan Michael McGehee, "Perovskitler oyunun kurallarını değiştirebilir" dedi.

Bilim insanları perovskit güneş pillerini, tandem hücreler yapmak için geleneksel silikon hücrelerin üzerine istifleyerek test ediyorlar. Her biri güneş spektrumunun farklı bir bölümünü emen iki malzemenin katmanlanması, panellerin verimliliğini potansiyel olarak %50'nin üzerinde artırabilir.

"Hâlâ hızlı bir elektrikleştirme görüyoruz, daha fazla araba elektrikle çalışıyor. Daha fazla kömür santralini emekliye ayırmayı ve sonunda doğal gaz santrallerinden kurtulmayı umuyoruz," diyor McGehee. "Tamamen yenilenebilir bir geleceğe sahip olacağımıza inanıyorsanız, rüzgar ve güneş enerjisi piyasalarının bugün olduğu yerden en az beş ila on kat genişlemesini planlıyorsunuz demektir."

Bu hedefe ulaşmak için sektörün güneş pillerinin verimliliğini artırması gerektiğini söyledi.

Ancak bunları ticari ölçekte perovskitten yapmanın önündeki en büyük zorluk, yarı iletkeni panellerin yapı taşları olan cam plakalar üzerine kaplama işlemidir. Şu anda kaplama işleminin, perovskitlerin oksijenle reaksiyona girmesini önlemek için nitrojen gibi reaktif olmayan gazla dolu küçük bir kutuda gerçekleştirilmesi gerekiyor, bu da performanslarını düşürüyor.

"Araştırma aşamasında bu iyi bir şey. Ancak büyük cam parçalarını kaplamaya başladığınızda, bunu nitrojen dolu bir kutuda yapmak gittikçe zorlaşıyor" diyor McGehee.

McGehee ve çalışma arkadaşları, hava ile bu zararlı reaksiyonu önlemenin bir yolunu bulmak için yola çıktılar. Kaplamadan önce perovskit çözeltisine dimetilamonyum format veya DMAFo eklemenin malzemelerin oksitlenmesini önleyebileceğini buldular.

Bu keşif, kaplamanın küçük kutunun dışında, ortam havasında gerçekleşmesini sağlıyor. Deneyler, DMAFo katkı maddesi ile yapılan perovskit hücrelerin kendi başlarına yaklaşık %25'lik bir verimliliğe ulaşabildiğini ve bu oranın perovskit hücreler için mevcut verimlilik rekoru olan %26 ile karşılaştırılabilir olduğunu gösterdi.

Katkı maddesi ayrıca hücrelerin kararlılığını da geliştirdi.

Ticari silikon paneller tipik olarak 25 yıl sonra performanslarının en az %80'ini koruyabilir ve yılda yaklaşık %1 verimlilik kaybeder. Perovskit hücreler ise daha reaktiftir ve havada daha hızlı bozulur. Yeni çalışma, DMAFo ile yapılan perovskit hücrenin, araştırmacılar tarafından 700 saat boyunca güneş ışığını taklit eden LED ışığına maruz bırakıldıktan sonra verimliliğinin %90'ını koruduğunu gösterdi. Buna karşılık, DMAFo olmadan havada yapılan hücreler sadece 300 saat sonra hızla bozuldu.

Bu çok cesaret verici bir sonuç olsa da, bir yılda 8.000 saat olduğunu belirtti. Dolayısıyla bu hücrelerin zaman içinde nasıl dayanacağını belirlemek için daha uzun testlere ihtiyaç var.

McGehee, "Silikon paneller kadar kararlı olduklarını söylemek için henüz çok erken, ancak buna doğru iyi bir yoldayız" dedi.

Bu çalışma perovskit güneş pillerini ticarileşmeye bir adım daha yaklaştırıyor. Aynı zamanda McGehee'nin ekibi, silikon panellerle aynı çalışma ömrüne sahip, gerçek dünya verimliliği %30'un üzerinde olan tandem hücreleri aktif olarak geliştiriyor. Amaç, geleneksel silikon panellerden daha verimli ve 25 yıllık bir süre boyunca eşit derecede istikrarlı olan iki hücreli bir sistem yaratmak.

Daha yüksek verimlilik ve potansiyel olarak daha düşük fiyat etiketleri ile bu ikili hücreler, elektrikli araçların çatılarına potansiyel kurulum da dahil olmak üzere mevcut silikon panellerden daha geniş uygulamalara sahip olabilir. Güneşte bırakılan bir arabaya günde 15 ila 25 mil menzil ekleyebilirler, bu da birçok insanın günlük işe gidiş gelişlerini karşılamaya yeter. Dronlar ve yelkenliler de bu tür panellerden güç alabilir.

McGehee, perovskitlerle ilgili on yıllık bir araştırmanın ardından mühendislerin 70 yıl önce icat edilen silikon hücreler kadar verimli perovskit hücreler inşa ettiklerini söyledi. "Perovskitleri bitiş çizgisine götürüyoruz. İkili hücreler iyi sonuç verirse, kesinlikle pazara hâkim olma ve yeni nesil güneş pilleri olma potansiyeline sahipler" dedi.

Bu yazı TECHXPLORE’ de yayınlanmıştır.