Uzayda bulunan uydular, güneş ışığının yoğun olduğu anlardan, dondurucu gölgelere geçiş yapan aşırı sıcaklık değişimleriyle karşı karşıya kalır.
Yeni nesil güneş panelleri için bu tür termal stresler, önemli bir teknik zorluk teşkil etmektedir.
Şimdi de, Münih Ludwig Maximilian Üniversitesi’ndeki bir kimyager ekibi, bu güneş hücrelerini moleküler düzeyde birbirine bağlayarak, uzayın boşluğunda parçalanmalarını engelleyen bir kalkan oluşturmanın yolunu bulmuştur.
-80°C’den +80°C’ye kadar olan 16 aşırı termal döngüden sonra, bu hücreler orijinal güçlerinin %84’ünü korurken, standart hücreler daha hızlı bozuldu.
Düşük Dünya Yörüngesi (LEO) Sıcaklık Değişimleri
Perovskit güneş hücreleri, ucuz olmaları ve inanılmaz derecede iyi performans göstermeleri nedeniyle popülerdir. Ancak, bu hücrelerin kolayca kırılabilen önemli bir fiziksel kusuru vardır.
Sıcaklıklar hızla değiştiğinde, hücrenin katmanları farklı oranlarda genleşir ve büzülür.
Düşük Dünya Yörüngesi’nde (LEO), sıcaklıklar hızla -80°C (-112°F) ile +80°C (176°F) arasında değişir, bu da iç katmanların farklı oranlarda genleşmesine ve büzülmesine neden olur.
Bu termal döngüler, şiddetli mekanik streslere yol açar, bu da mikroskobik çatlaklara, katman ayrılmasına (delaminasyon) ve güç çıkışında hızlı bir düşüşe neden olur.
LMU Münih’deki Dr. Erkan Aydin liderliğindeki araştırmacılar, perovskit güneş hücrelerini LEO’nun aşırı sıcaklık değişimlerinden korumak için çift yönlü bir takviye stratejisi geliştirmiştir.
Bu strateji, iki moleküler yaklaşımı bir araya getirir. Ekip, hem iç tane yapısını hem de güneş hücresinin substrat ile buluştuğu yüzeyleri stabilize etmiştir.
Moleküler Yapıştırıcı
Aydin ekibinin takviye stratejisi, güneş hücresinin en zayıf noktalarını güçlendirmek için çift etkili bir moleküler “yapıştırıcı” kullanır.
Perovskit katmanına alfa-lipoik asit eklemek, malzemenin tane sınırları boyunca örülen bir polimer ağı oluşturarak iç çatlakların oluşmasını engeller.
Aynı zamanda, perovskitin elektrot ile güçlü bir kimyasal bağ oluşturmak için sülfon grubunu kullanan özel bir molekül olan DMSLA uygulanır.
Buleşik yaklaşım, hücrenin katmanlarının genleşip büzülmesiyle bile sağlam kalmasını sağlayan esnek ve koruyucu bir ağ görevi görür.
“Bu molekülleri esnek ve bağlı bir ağ olarak düşünebiliriz” dedi Aydin. “Perovskit ışık emici katmanın substrat ile entegre kalmasını sağlayarak, sıcaklık değişikliklerine uyum sağlamasına izin verirken aynı zamanda delaminasyonu önler.”
Olağanüstü Dayanıklılık
Çift moleküler bağlı ağ tekniği, perovskit güneş hücrelerinin verimliliğini %26’ya yükseltti. İlginç bir şekilde, bu hücreler standart modellerden daha iyi performans gösterirken aynı zamanda aşırı ortamlardaki hayatta kalma oranlarını da artırmıştır.
-80°C (-112°F) ile +80°C (176°F) arasında yapılan zorlu testlerde, bu takviye edilmiş hücreler orijinal güçlerinin %84’ünü koruyarak, genellikle bu tür malzemelerin uzayda neden bozulduğu termal genleşme ve delaminasyonu başarıyla aşmıştır.
Bu çalışma, moleküler takviyenin malzeme içindeki kritik yüzeyleri ve tane sınırlarını hedefleyerek mekanik stabilitenin nasıl iyileştirilebileceğini göstermektedir. Bu, bu teknolojinin pratik kullanımına bir adım daha yaklaştırır.” dedi Aydin.
Münih’teki araştırma ekibi şu anda bu “uzaya uygun” güneş hücrelerini, bilinen en zorlu ortamlere dayanabilecek şekilde geliştirmeye odaklanmıştır.
Bu durum, yörüngedeki uydulardan, stratosferik uçaklara ve yeni nesil esnek güneş modüllerine kadar her alanda yüksek performanslı, hafif fotovoltaiklerin kullanımını mümkün kılabilir.
Bulgular, dergisinde yayınlanmıştır.
Kaynak: Interesting Engineering