Yeni Nesil “Su Geçirmez” Kaplama Teknolojisiyle Kurşun İçermeyen Güneş Pilleri Daha Uzun Ömürlü

Temiz enerji artık tamamen çevre dostu olabilir. Bilim insanları, hava ve nemden kaynaklanan hasarlara karşı yerleşik bir savunma mekanizmasına sahip, tin bazlı perovskit malzeme geliştirerek güneş pillerine “moleküler su geçirmez” bir koruma sağlamışlardır.

Bu gelişme, Wisconsin Üniversitesi-Madison, National Laboratory of the Rockies ve ortak kurumların liderliğindeki ortak bir çalışmanın ürünüdür. İlginç bir şekilde, bu tin perovskitler, tehlikeli kurşun bazlı hücrelere çevre dostu bir alternatif olabilir. Ancak, önceki tin bazlı malzemeler genellikle havadaki ve sudaki nemlere maruz kaldığında hızla bozulma eğilimindedir. Bu yeni “su geçirmez” kaplama bu sorunu çözmektedir.

Ortak ekip, tin bazlı güneş pillerine yerleşik bir koruma sağlayan moleküler bir yeniden tasarım ortaya koymuştur. Bu, toksik olmayan perovskit fotovoltaiklerin ticari pazara sürülmesini engelleyen en büyük sorunu: dayanıklılığı ortadan kaldırıyor.

“Bu malzemeleri korumanın yanı sıra, onları güneş pillerinde cazip kılan özellikleri de korumak istedik” dedi, Wisconsin Üniversitesi-Madison’dan Kimya Profesörü Song Jin.

Yerleşik Koruma: Milyonlarca dönüm alana yayılan güneş panelleri düşünüldüğünde, hasar görmüş veya atılmış panellerden kaynaklanan toksik sızıntı riski, pazarda hala yaygın olarak kullanılan kurşun bazlı hücrelerin en büyük engelidir. Tin perovskitler, üstün ışık emme ve elektronik özelliklere sahipken, kısa sürede havadaki ve sudaki nemlere maruz kaldığında bozulmaktadır.

Ekip, güneş pillerinin üzerine hacimli bir fiziksel katman eklemek yerine, korumayı doğrudan malzemenin mikroskobik yapısına entegre etmiştir. Bu, atom seviyesinde ince ayar gerektiren bir yaklaşımdır.

Song Jin ve ekibi, malzemenin organik bileşenlerini değiştirmek için farklı halojen atomları (flor, klor ve brom) ile denemeler yapmıştır. Bu çalışma, karışık boyutlu (2D/3D) bir heterostrüktür oluşturmuştur. İlginç bir şekilde, klorlanmış versiyon tanıtıldığında, perovskit kristalleri daha önce olduğundan çok daha sıkı bir şekilde paketlenmiştir.

Bu sıkı atomik paketleme, moleküler bir kalkan görevi görmektedir. Su ve oksijenin içeri sızmasını engelleyerek hücrelerin içindeki hassas tin çekirdeği için koruyucu bir bariyer oluşturmaktadır. Bu yapısal değişiklik, hem performansı hem de dayanıklılığı artırmıştır. Geleneksel malzemelere kıyasla, yeni klorlanmış tin perovskit, açık havada aylar boyunca bütünlüğünü korumuştur. Hatta, çözünmeden günler boyunca tamamen suda kalmıştır.

Ayrıca, teorik modeller bu mekanizmayı doğrulamıştır: sıkı moleküler yapı, oksijenin ve suyun hassas tin çekirdeğine sızmasını fiziksel olarak engellemektedir.

İşletim Sıcaklığı Testleri: Ekip, National Laboratory of the Rockies’teki araştırmacılar Lei Chen ve Kai Zhu ile ortaklaşa çalışan güneş pillerini üretmiştir. Bu cihazlar, %16,2’lik bir güç dönüşüm verimliliğine ulaşmış, bu da onları şimdiye kadar üretilen en verimli tin bazlı hücreler arasında yapmaktadır.

Cihazlar, kuru havada 1600 saat boyunca yerleştirildikten sonra, başlangıçtaki çıkışlarının %95’inden fazlasını korumuştur. Sürekli simüle edilmiş güneş ışığı altında, aşırı işletim stresi koşullarında ve 55°C (131°F) sıcaklıkta, cihazlar güçlerinin %80’ini 1000 saat boyunca korumuştur.

Genellikle, güneş tasarımı verimlilik veya dayanıklılık arasında bir seçim gerektiriyordu. Bu malzeme, şirketlerin bu iki özellikten ödün vermesinin gerekmediğini göstermektedir. “Heyecan verici olan şey, malzemenin tasarımında nispeten küçük bir değişikliğin, kararlılıkta çok büyük bir iyileşme sağlamasıdır” dedi, Wisconsin Üniversitesi-Madison’da malzeme kimyası alanında doktora yapan Christopher T. Triggs.

“Bu, organik bileşenlerin nasıl tasarlanabileceğini ve perovskit yapılarının paketlenmesinin nasıl kontrol edilebileceğini gösteriyor; bu da çevredeki ortamdan perovskit malzemelerin güçlü bir şekilde korunmasını sağlayabilir” diye ekledi, ilk yazar.

Kurşun içermeyen, uzun ömürlü bir güneş pili potansiyelini gören Wisconsin Alumni Research Foundation ve National Laboratory of the Rockies, bu teknoloji için ortaklaşa bir patent başvurusu yapmıştır. Çalışma, Nature Materials dergisinde yayınlanmıştır .