Güneş enerjisi teknolojisinde devrim niteliğinde bir gelişme yaşanıyor. Alman bilim insanları, postage stamp boyutlarındaki bir malzeme üzerinde rekor düzeyde enerji üreterek temiz enerji alanında yeni bir çağın kapısını araladılar.
Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ve Humboldt Üniversitesi zu Berlin’den oluşan araştırma ekibi, sertifikalı olarak yeni bir rekora imza attı. Özel olarak tasarlanmış tandem güneş hücresi, geleneksel güneş ışığının %25.5’ini elektriğe dönüştürmeyi başardı. Bu, geçen yıl elde ettikleri %24.6’lık önceki rekorlarını geride bıraktı.
Güneş enerjisi daha da gelişiyor
Bu başarının sırrı, cihazın boyutunda yatıyor. Hücrenin ölçüsü 1,081 cm² olarak belirlenmişti. Bu, küçük bir değer gibi görünse de, 1 cm² eşiğini aşmak güneş enerjisi camiasında büyük bir dönüm noktasıdır. NREL tablosu gibi endüstri standartları, mikroskobik hücreleri bile 0,001 cm²’ye kadar küçük boyutlarda listelerken, “Green Tables” olarak bilinen prestijli Solar Cell Efficiency Tables, herhangi bir teknolojinin 1 cm²’den büyük bir alanda kendini kanıtlamadıkça listelenmesine izin vermez. Berlin ekibi, bu eşiği aşarak teorik bir laboratuvar deneyi olmaktan çıkarak ölçeklenebilir fotovoltaiklerin resmi defterine girdi.
Tek malzeme kullanmak yerine, tandem güneş hücreleri iki farklı malzemeyi üst üste yerleştirerek “sandviç” benzeri bir yapı oluşturur. Bu yaklaşım, her malzemenin ışığın farklı bir bölümünü yakalamasını sağlar.
Milestone’a ulaşmak için ekip, iki farklı ince film malzemesini kullandı. Bir tarafında bakır, indiyum, galyum ve selenyum (CIGS) katmanı kullanılırken, diğer tarafta yüksek adaptasyonlu kristal yapı olan perovskit kullanıldı. Her malzeme, ışık spektrumunun farklı bir bölümünü yakalamak için özel olarak ayarlanmıştır.
Üstteki perovskit katmanı, yüksek enerjili mavi ışığı yakalar ve bunu verimli bir şekilde elektriğe dönüştürür. Kalan ışık, altındaki CIGS katmanına ulaşır ve burada daha düşük enerjili kırmızı ve kızılötesi ışık yakalanır.
Verimliliği artırmak
Bu başarı, aşırı hassasiyet gerektiren bir mühendislik çalışması sonucunda mümkün oldu. Dr. Guillermo Farias Basulto, CIGS tabanının bant aralığını ayarlayarak ışığın daha etkili bir şekilde yakalanmasını sağladı.
Basulto, “Avrupa projesi SOLMATES çerçevesinde önceki rekorumuzu aşmak için, farklı bant aralıklarına (yani 1,05 eV ve 1,1 eV) sahip CIGSe taban hücreleri ve benzer özelliklere sahip iki farklı kalınlıkta alüminyum katkılı zink oksitler kullandık” şeklinde açıklama yaptı.
Bu arada, kimyager Wuai Zhang, iç sınırların elektriksel sızıntısını önlemek için atomik kaplamaları sistematik olarak taradı. Zhang, hatta “buckyballs” (Buckminsterfullerene) adı verilen moleküllerin buharlaşma hızını bile kontrol ederek mikroskobik, 1 nanometre kalınlığındaki bir pasif katman oluşturdu ve böylece akımı optimize etti. Bu sayede istenen sonuç elde edildi.
Bu teknoloji laboratuvardan çıkabilecek mi? Ekip, bunun mümkün olduğunu zaten kanıtlıyor. Berlin Uygulamalı Bilimler Üniversitesi (HTW) ile işbirliği yaparak araştırmacılar, aynı malzeme yığınını 2,25 cm²’lik bir mini-modüle dönüştürdü ve %19,7 gibi yüksek verimliliği korudu.
Bilim insanları, bunun sadece başlangıç olduğuna inanıyorlar. Farias-Basulto’ya göre, değiştirilmiş tasarımların iç testleri zaten %27,5’e kadar verimliliklere ulaşmış durumda. Fiziksel prensipler, %30’luk bir eşiğin de kolaylıkla aşılabilir olduğunu gösteriyor.
Farias-Basulto, “Mevcut hücre mimarimizin fiziksel özellikleri, %25,5’in sadece bir adım olduğunu ve benzer tasarımların iç testlerinde zaten %27,5 verimliliğe ulaşıldığını gösteriyor” şeklinde belirtti.
İnce film CIGS ve perovskit malzemeleri hafif ve esnektir. Bu benzersiz kombinasyon, tandem güneş hücrelerinin eğri yüzeylere uygulanmasına, bina pencerelerine entegre edilmesine veya standart, sert panellerin kullanılamadığı araçların çatılarında kullanılabilmesine olanak tanır.
Bu bulgular, [dergi adı] dergisinde yayınlanmıştır.
Kaynak: Interesting Engineering