Perovskit güneş hücrelerinde verimliliği artıran geçici sıvı yöntem geliştirildi.

UC San Diego araştırmacılarının önderliğinde yürütülen bir çalışma, perovskite güneş hücrelerinin verimliliğini ve dayanıklılığını artıracak yeni bir yöntem geliştirdi. Yöntem, malzemelerin kristalleşme biçimini kontrol ederek daha büyük ve hatasız kristaller üretmeyi hedefliyor. Çalışma sonucu güneş hücreleri yaklaşık yüzde 24 ile 26 arasında verimliliğe ulaştı; sekiz haftalık sürekli çalışmanın ardından ilk durumdaki verimliliğin çoğunu korudu. Bu bulgu, Science dergisinde yayımlandı.

Perovskitler, yüksek verimlilik sunarken güneş teknolojisini daha ucuz hale getirme potansiyeli taşıyan malzemelerdir. Sıvı çözeltilerden işlenebilir ve ince filmler olarak biriktirilebilir; bu da geleneksel silikon güneş hücrelerine kıyasla üretimde gereken enerji ve karmaşıklığı azaltabilir. Ancak yüksek kaliteli perovskit filmlerin üretimi hâlâ zorlu sürüyor. Bu filmlerde genellikle küçük kristaller bulunur ve komşu kristaller arasındaki sınırlara tanecik sınırları denir. Bu bölgelerdeki kusurlar enerji kayıplarına ve aygıt performansının düşmesine yol açabilir.

Sorun, üreticilerin daha büyük güneş panelleri üretmeye çalıştığında daha da belirginleşiyor; bu durumda yüksek verimliliği geniş bir alanda korumak zorlaşıyor. Bu sorunu çözmek için UC San Diego Kimya ve Nano Mühendisliği Profesörü David Fenning önderliğinde ekip, Princeton Üniversitesi ve Güney Kore’deki Sungkyunkwan Üniversitesi’nden meslektaşlarıyla çalıştı.

Ekip, halide perovskite adı verilen bir malzeme üretmek için kullanılan çözeltilere çinko bromür ve metilamonyum klorür ekledi. Isıtıldığında bu katkı maddeleri eutektik adını veren erime noktası düşük bir karışım oluşturdu. Bu karışım, büyüyen kristal sınırlarının etrafında geçici bir sıvı faz yaratarak kristallerin yeniden düzenlenmesini ve daha düzenli bir yapı oluşmasını sağladı.

Isıtma sürdükçe metilamonyum klorür buharlaştı ve çinko kristal sınırlarının etrafında yoğunlaştı. Geriye kalan çinko, elektrik yüklerinin hareketini bozabilecek elektronik kusurları nötrledi. Çalışmanın ilk yazarlarından biri olan ve Fenning laboratuvarından mezun olmuş kimya ve nano mühendislik doktora mezunu Connor Dolan, “Halide perovskitlerin büyümesini ayarlayan yeni bir yol sunuyoruz; kristalleşme sırasında aktif biçimde değişen bir katkı karışımı geliştirdik” dedi. Dolan, “Daha da güzeli şu: Üretilen son ürün, kristalik taneciklerinin kenarlarında performans sınırlayan kusurları ortadan kaldırıyor” diye ekledi.

Araştırmacılar gelişmiş X-ışını görüntülemesini kullanarak malzemedeki değişimleri çok küçük ölçeklerde gözlemledi. Ölçümleri, ısıtma sırasında kristal sınırlarının etrafındaki bölgelerin düzensizleşip sıvımsı bir hale geldiğini; ekstra tuz buharlaşıp kristal büyümesi sona erdiğinde ise tekrar düzenli duruma döndüğünü gösterdi.

Uygulama, daha büyük kristaller ve daha az yapısal kusur ile kimyasal özelliklerin daha homojen dağılımı sağladı. Araştırmacılar ayrıca bu katı-sıvı-katı dönüşümünün aynı sıcaklıkta neden gerçekleştiğini anlamak istiyor.

İyileştirilmiş kristal yapısı, aygıt performansında da iyileşmeye dönüştü. Güneş hücrelerinde güneş ışığı elektronları uyarır ve arkalarında pozitif yüklü delikler bırakır. Bu elektron-delik çiftlerinin yeniden birleşmeden önce ne kadar süre hayatta kaldığı, malzemenin güneş enerjisini dönüştürme etkinliğini gösterir. Dolan, “Eutektik oluşan katkı maddeleriyle üretilen perovskitler, doğrudan bantlı yarı iletkenlerin herhangi birinde şimdiye kadar bildirilen en uzun ömürlu elektron-delik çiftlerine sahipti; bu da yaklaşımın vaatlerini gösteriyor” dedi.

Araştırmacılar yöntemi farklı perovskite bileşimlerinde de sınamış ve inceledikleri kimyasallarda işe yaradığını görmüş. Dolan, “Denediğimiz her şey işe yarıyordu! Bu mekanizmanın gerçekten genel geçer olabileceği ve perovskit topluluğunda daha ileri yenilikler için bir platform sağlayabileceği umudundayım” diye ekledi.

Ekip şimdi kristalleşmeyi daha iyi kontrol etmek amacıyla diğer eutektik karışımları inceliyor. Araştırmacılar yaklaşımın yüksek kaliteli perovskit malzemeler üretmek için daha geniş bir strateji sunmasını ve büyük ölçeklerde üretilebilen verimli güneş teknolojilerinin gelişimini desteklemesini umuyor.