Gizli Enerji Kaybının Önüne Geçildi: Güneş Pillerinin Verimliği %43’e Yaklaştırılabilir.

Barcelona’daki Fotonik Bilimler Enstitüsü (ICFO) araştırmacıları, güneş pillerinde verimsizliğe yol açan gizli bir enerji kaybının önüne geçecek deneysel bir yöntem geliştirdi. Araştırmacılar, pillerin foton yaydığı açı aralığını daraltarak bu kayba neden olan etkiyi azaltmayı başardı. Energy & Environmental Science dergisinde yayınlanan çalışma, tek bağlantılı (single-junction) güneş pilleri için kabul gören teorik verimlilik sınırının aşılmasına yol açabilecek bir yöntem sunuyor.

Güneş pillerinin enerji kaybetmesinde rol oynayan ve “Boltzmann kaybı” olarak adlandırılan mekanizma, ışığı soğurabilen her malzemenin aynı zamanda onu yayma özelliğine sahip olmasından kaynaklanıyor. ICFO ekibi, bu kaybın kaynağı olan yayılım açısını daraltarak pillerin verimliliğini artırabilecek bir yol izledi.

Yayılan ışığın yönü neden önemli?

Güneş pili, güneş ışığını nispeten dar bir açı aralığından alır. Güneş gökyüzünde küçük bir alanı kapladığı için gelen güneş ışını da oldukça dar bir koni içinde pile ulaşır. Buna karşılık, pilin içinde üretilen fotonlar normalde çok daha geniş bir yayılım açısında her yöne saçılabilir. ICFO araştırmacılarına göre, dar gelen koniyle geniş yayılan koni arasındaki bu uyumsuzluk, cihazdan nihayetinde çıkarılabilecek faydalı enerji miktarını düşürüyor.

Araştırmacılar, bu kaybı azaltmak için güneş pilinin ışığı yalnızca belirli yönlerde yaymasını sağlayacak bir yöntem geliştirdi. ICFO ve Barcelona Teknik Üniversitesi (UPC) öğretim üyesi Profesör Jordi Martorell’in liderliğindeki ekip; Dr. Francisco Bernal Texca, Chiara Cortese, Dr. Mariia Kramarenko ve Dr. Quan Liu’dan oluşuyordu.

Ekip, PM6:Y6 malzeme karışımına dayanan ters dönmüş organik bir güneş pili kullandı ve onu optik bir kaviteye dönüştürdü. Sonuçta oluşan yapı, büyük açılarda foton yayılımını engelleyerek etkin biçimde pilin yayılım konisini daralttı.

Optik kavite fotonların kaçış şeklini değiştiriyor

Araştırmacılar bu etkiyi, gümüş esaslı bir ön elektrot ile pillerin arkasına yerleştirilen ikinci bir gümşü elektrot ve katmanlı yapı kombinasyonuyla sağladı. Metal ön elektrot, yayılan ışık için geniş açı aralığında yüksek yansıtma özelliği sunar. Aradaki elektrot ve çevreleyen katmanlarla birlikte optik bir kavite oluşturur.

Kavitenin aynı anda iki görevi vardır: Geniş açılarda ışık yayılımını baskılarken, güneş ışınının geldiği yönden verimli biçimde içeri girmesine izin verir. Bu sayede yayılan ışığın açısal dağılımı, gelen güneş ışığının açısal dağılımına daha yakın bir hale gelir.

Araştırmacılar, fotovoltaik verimliliği konvansiyonel sınırların ötesine taşımaya çalışan diğer birçok stratejiyle karşılaştırıldığında, bu yöntemin ek üretim karmaşıklığı gerektirmediğini vurguladı.

Bu şokley-kuaiser sınırını aşabilir mi?

Çalışma, model varsayımları altında konvansiyonel bir tek bağlantılı güneş pili için teorik verimlilik tavanını tanıtan bilinen Şokley-Kuaiser (Shockley-Queisser) sınırına değiniyor. ICFO bu sınırı %33,16 olarak belirtiyor. Araştırmacılar, yayılım konisinin güneş ışığının soğurma konisine yeterince yakın hale getirilmesi için yeterli derecede daraltılması durumunda, teorik olarak %43’e yaklaşan verimliliklerin mümkün olabileceğini söylüyor.

Bu araştırmacıların %43 verimli bir güneş pili ürettiği anlamına gelmiyor. Çalışma, ilgili kayba neden olan mekanizmayı azaltacak optik yöntemi organik fotovoltaik bir cihazda kanıtlıyor.

“Çalışmamız, Şokley-Kuaiser sınırını aşmak için tamamen keşfedilmemiş bir yol açması güneş enerjisi dönüşümü alanında önemli bir ilerlemedir.”

Araştırmanın ilk yazarı Dr. Francisco Bernal Texca

Araştırmacılar, temel ilkenin yalnızca organik fotovoltaiklerle sınırlı olmadığını da vurguluyor. Deney bir güneş pilinde gerçekleştirilmiş olsa da Martorell, kavramın prensip olarak farklı fotovoltaik teknolojilerde uygulanabileceğini belirtti.

Araştırmacıların yöntemini daha yüksek performanslı pratik cihazlara aktarabilmeleri halinde, foton yayılımının yönünü kontrol etmek, aynı miktarde güneş ışından daha fazla elektrik üretmek için yeni bir araç haline gelebilir. Yüksek fotovoltaik verimliliğinin, belirli miktar güneş enerjisi üretimi için gereken arazi ve malzeme miktarını azaltırken, üretilen elektriğin watt başına maliyetini de düşürebileceğini eklediler.