Hong Kong Politeknik Üniversitesi’ndeki (PolyU) bir ekip, parçası gölgelendiğinde bile iyi çalışmaya devam eden yeni perovskit-organik tandem güneş pili geliştirdi.
Araştırmalarına göre, bu ince film güneş pilleri, genellikle standart ince film güneş pillerine zarar veren -40 volt gibi yüksek ters gerilimlere maruz kaldığında bile orijinal verimliliklerinin %90’ından fazlasını korudu.
Ağaçlar, bulutlar, binalar veya hatta kuşlar güneş ışığını engellediğinde, güneş panelleri ters gerilime maruz kalabilir. Bu negatif voltaj, elektrik üretimini düşürür ve ince film güneş pillerine kalıcı hasar verebilir. PolyU ekibi, yeni tasarımlarının bu soruna karşı çok daha dirençli olduğunu ve teknolojinin gerçek dünya uygulamaları için daha pratik hale geldiğini belirtiyor.
Güneş Pili Hasarına Neden Olan Gizli Kusurlar
Kadmiyum tellür, bakır indiyum galyum selenit, perovskit ve organik güneş pilleri gibi ince film güneş teknolojileri, hafif, esnek ve daha düşük maliyetli olmaları nedeniyle popülerdir. Ancak, hepsinin ortak bir sorunu vardır: panelin bir parçası gölgelendiğinde performansları düşer.
Bu koşullar altında, gölgelenen hücreler negatif voltaj üretebilir ve bu da malzemenin stresine neden olur. Bu güneş pillerinde hem elektronlar hem de iyonlar bulunduğundan, uzun süre yüksek ters gerilim altında kalmak performanslarını düşürebilir ve sonunda hasara yol açabilir. Yüksek ters gerilime karşı direnci artırmak, ömürlerini uzatmanın anahtarıdır.
Araştırmacılar, verimliliklerinin son yıllarda önemli ölçüde arttığı halde, yüksek ters gerilim koşullarına nasıl tepki verdiklerini anlamanın hala tam olarak mümkün olmadığı organik güneş pillerine odaklandılar.
PolyU’nun Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü’ndeki enerji dönüşüm teknolojileri konusunda uzman olan Prof. Li Gang, “OSC’lerin (Organik Güneş Pilleri) ve POTSC’lerin (Perovskit-Organik Tandem Güneş Pilleri) stabilitesinde zorlu ters gerilim koşulları altında önemli ilerlemeler kaydettik. Araştırmamız, hem cihazın çalışma prensiplerini hem de organik ve perovskit güneş teknolojilerindeki dayanıklılığı anlamada çığır açıcı katkılar sağlıyor” dedi.
Araştırmacılar Ters Gerilim Kaynaklı Hasarın Nedenini Belirlediler
Ekip, hasarın, elektrik üretimi gerçekleştiği katmanda bulunan “derin tuzak durumları” adı verilen kusurlardan kaynaklandığını keşfetti. Bu kusurlar, elektriksel yükleri hapsederek verimliliği düşürür ve yüksek ters gerilim altında kalıcı hasar olasılığını artırır.
Bu sorunu çözmek için, araştırmacılar güneş pilinin donör-akseptör karışım alanındaki izole akseptör kümelerini bastırdı. Bu, derin tuzak durumlarının sayısını azalttı ve cihazların dayanıklılığını önemli ölçüde artırdı.
Sonuç olarak, yeni organik güneş pilleri -35 voltun üzerindeki bir bozulma gerilimini kaldırabildi. Bu, yüksek ters gerilime karşı daha iyi direnç anlamına gelir ve organik güneş pillerinde stabilite ve verimlilik için yeni bir standart belirler.
Tandem Hücreler Perovskit Katmanını Korur
Çalışma ayrıca, iyileştirilmiş organik güneş pillerinin, n-i-p inorganik perovskit-organik tandem güneş pillerindeki perovskit katmanını nasıl koruduğunu gösterdi. Bu, ters tünellemeyi engelleyerek, gölgelenme sırasında cihaza zarar veren ters akımı durdurur.
Hatta -40 volt gibi yüksek bir gerilime maruz kaldıktan sonra bile, tandem güneş pilleri orijinal verimliliklerinin %90’ından fazlasını korudu.
Cihazlar aynı zamanda güçlü uzun vadeli stabilite gösterdi. -20 volt seviyesinde 12 saat çalıştırıldığında, başlangıç verimliliklerinin %90’ını korudular. -4,5 volt seviyesinde 2000 saat (yaklaşık 83 gün) çalıştıklarında ise verimliliklerinin %97’sini korudular. Araştırmacılar, bu sonuçların mevcut ince film güneş teknolojilerinin performansından daha iyi olduğunu belirtiyor.
Sonuçlar Daha Önceki Verimlilik Artışlarına Dayalı
Bu yeni çalışma, ekibin daha önce Nature Energy‘de yayınladığı çalışmalara dayanmaktadır. Bu çalışmada, alttan temaslı modülasyon kullanarak %25,9’luk bir güç dönüşüm verimliliğine sahip n-i-p inorganik perovskit-organik tandem güneş pilleri geliştirmişlerdi ve bu değer bağımsız olarak %25,1 olarak doğrulanmıştı. Bu çalışma, Türkiye’nin güneydogusunda yaygın olan, özellikle kırsal bölgelerde kullanılan, daha az gelişmiş güneş enerjisi sistemlerine kıyasla önemli bir ilerleme temsil ediyordu.
Bu yeni çalışmada, tandem güneş pilleri %26’nın üzerinde bir güç dönüşüm verimliliğine ulaştı ve yüksek ters gerilim stresine karşı çok daha dirençli hale geldi. Bu, teknolojinin gerçek dünya güneş modüllerinde kullanılmak üzere daha yakın bir gelecekte kullanıma sunulabileceği anlamına geliyor.
“Yüksek ters gerilim altında gölgelenme koşullarında gösterilen olağanüstü stabilite, ölçeklenebilir perovskit-organik tandem güneş pili minimodüllerde canlı bir şekilde gösterildi. Bu, önemli bir atılımı temsil ediyor ve yenilenebilir enerji sistemleriyle desteklenen sürdürülebilir ve verimli bir geleceğin önünü açıyor” diye ekledi Li.
Yeni çalışma, Nature Materials dergisinde yayınlanmıştır.
Kaynak: Interesting Engineering