Güvenli Titanyum, Perovskit Güneş Pillerinde Toksik Kurşunun Yerini Alabilir
Fotoğraf : Araştırmacılar, perovskite ince film güneş pillerinde, titanyumun kurşunun yerini alabilecek cazip bir seçim olduğunu gösterdi. Şekil:Padture Lab / Brown Üniversitesi
Perovskit adı verilen bir malzeme sınıfı, ucuz ve verimli güneş pilleri üretmek için umut verici, silikona bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Fakat bütün vaadlerinin yanısıra, olumsuz yanları yok değildir. Çoğu yüksek oranda toksik olan kurşun ve çevreye maruz bırakıldığında özellikle stabil olmayan organik maddeler içerir. [ABO3 kimyasal formülüne sahip bileşikler perovskit olarak adlandırılır.]
Şuan Brown Üniversitesi ve Nebraska Üniversitesi – Lincoln (UNL)’ ’nden bir grup araştırmacı kurşunsuz, inorganik perovskit güneş pilleri yapmak için yeni titanyum-bazlı malzeme üretti. Joule’de yayınlanan bir makalede araştırmacılar, malzemenin özellikle tandem güneş pillerinde kullanılması için iyi bir aday olduğunu bildiriyorlar. Bunlar, bir perovskit güneş pilinin genel verimliliği artırmak için silikondan veya bir başka kurulmuş malzemeden yapılmış bir güneş pilinin üstüne yerleştirildiği düzenlemelerdir.
New Paper’ın kıdemli yazarı Nitin Padture, Brown Mühendislik Okulu’nda profesör ve Moleküler ve Nanoset Yenilik Enstitüsü direktörü. “Titanyum, bugüne kadar perovskite araştırmasında büyük ölçüde gözden kaçmış, bol, sağlam ve biyouyumlu bir elementtir.” diyor. “İnce-film perovskitleri oluşturmak için titanyum-bazlı malzeme kullanımının mümkün olduğunu ve bu malzemenin düzenlenebilir güneş enerjisi uygulamaları için elverişli özelliklere sahip olduğunu gösterdik.”
Temiz enerjide belirli bir kristal yapısına sahip bir malzeme sınıfı olan perovskitlere olan ilgi, 2009’da güneş ışığı elektriğe dönüştürmek için gösterildiğinde ortaya çıktı. İlk perovskit güneş pilleri sadece %4’lük bir dönüştürme verimliliğine sahipti, ancak bu, geleneksel silikon hücrelere rakip olan %23’e yakın değere hızla fırladı. Ve perovskitler bazı ilgi çekici avantajlar sunmaktadır. Silisyum hücrelerden daha ucuza mal olmaktadırlar ve elektrik üreten pencereler gibi yeni teknolojilerin imkânını artırarak kısmen şeffaf olabilmekteler.
Padova, “Perovskite araştırmalarındaki büyük dürtülerden biri, kurşun esaslı materyallerden uzak durmak ve toksik olmayan ve daha kararlı yeni malzemeler bulmak” diyor. “UNL’deki teorisyenlerimiz bilgisayar simülasyonları kullanarak, sezyum, titanyum ve halojen bileşeni (brom veya / ve iyot) içeren bir perovskit sınıfının iyi bir adayı olduğunu öngörüyordu.
Bir sonraki adım aslında bu malzemeyi kullanarak güneş pili yapmak ve özelliklerini test etmek ve burada yaptıklarımız.”
Ekip, tandem güneş pilleri uygulamaları için ideal olduğu düşünülen 1,8 elektron voltajında, materyalin absorbe edebildiği fotonların enerji seviyesinin bir ölçüsü olan bir band aralığı olan, yarı şeffaf perovskite filmler yaptı. Araştırmacılar bu malzeme kurşun-bazlı pillerin altında bir değere %3,3 dönüşüm etkinliğine sahiptir, fakat bütün materyaller için iyi bir başlangıç, diyor.
Brown’un mühendislik profesörlerinden ve makalenin yazarlarından Yuanyuan Zhou, “Verimliliği artırmak için yapabileceğiniz birçok teknik var” diyor. “Bu malzemenin geliştirilebileceği çok fazla alan olduğuna inanıyoruz.”
Brown’da malzeme bilimi doktora öğrencisi ve makalenin ilk yazarı olan Min Chen, filmleri hazırlamak için yüksek sıcaklıkta buharlaştırma yöntemi kullanmış, ancak ekibin alternatif yöntemleri araştırdığını söylüyor. “Ayrıca, hücre üretiminin potansiyel maliyetini azaltmak için düşük sıcaklık ve solvent bazlı yeni yöntemler arıyoruz.” diyor.
Araştırma, malzemenin kurşunsuz perovskitler için alternatif adaylara göre birkaç avantaja sahip olduğunu gösterdi. Büyük ölçüde kalaydan yapılmış rakip bir malzeme var, ancak kalay çevreye maruz kaldığında kolaylıkla paslanır. Titanyum diğer yandan paslanmaya karşı dayanıklıdır. Titanyum-perovskitin ayrıca bir güneş pilinden elde edilen toplam voltajın bir ölçüsü olan 1 voltun üzerinde bir açık devre gerilimi vardır. Diğer kurşunsuz perovskitler genel olarak 0,6 volttan küçük voltaj üretir.
Padture, “Açık devre gerilimi, bir güneş pili malzemesinin potansiyelini değerlendirmek için kullanabileceğimiz önemli bir özelliktir” diyor. “Öyleyse başta böyle yüksek bir değere sahip olmak çok umut vericidir.”
Araştırmacılar, malzemenin silikona kıyasla nispeten geniş band açılımının tandem bir güneş pilinde en üst katman olarak hizmet vermeyi birinci sınıf bir aday haline getirdiğini söylüyor. Titanyum-perovskit üst katman, alt silisyum tabakasının daha küçük bant aralığı nedeniyle absorbe edemediği yüksek enerjili fotonları güneşten emecektir. Bu arada, düşük enerjili fotonlar silisyum tarafından absorbe edilmek üzere yarı şeffaf üst tabakadan geçerek hücrenin toplam emme kapasitesini artıracaktır.
Padture, “Tandem hücreler, perovskitler söz konusuysa, çocuk oyucağı.” diyor. “Mevcut silikon teknolojisini henüz değiştirmeyi düşünmüyoruz, ancak bunun yerine onu artıracağız. Stabil, kurşunsuz tandem bir hücre yapabiliyorsanız, bu büyük bir başarı. Bu yeni malzeme iyi bir aday gibi görünüyor.”
Kaynak: materialstoday.com
