Kristal Tabanlı Güneş Enerjisinin Geleceği Daha da Parlaklaştı
Fotoğraf : NREL araştırmacısı David Moore, kristal bağcıklı mürekkeple boyanmış örnek bir güneş paneli gösteriyor.
Son iki yenilik, yeni bir tür güneş enerjisi teknolojisi beklentilerini artırıyor. Her ikisi de biraz alışılmadık bir kristal türüne dayanıyor. Onlardan yapılan paneller yaklaşık 10 yıldır çalışıyor. Ancak bu panellerin birçok sınırlaması vardı. Tasarımlarındaki yeni değişiklikler artık daha iyi ve potansiyel olarak daha az maliyetli güneş panellerine yol açabilir.
Fotovoltaik paneller güneş ışığını elektriğe dönüştürür. Yeni panel tipinde kullanılmak üzere tasarlanan malzemelere yapılan bir değişiklik, güneş ışığında daha fazla enerjiden faydalanmalarını sağlayacaktır. İkinci bir ilerleme, bu malzemenin katmanlarını bir sandviçe istiflemeyi kolaylaştırır. Her katman farklı dalga boylarına veya güneş ışığının bölümlerine en duyarlıdır. Katmanların istiflenmesi daha fazla gelen ışığı toplamalıdır.
Golden, Colo’daki Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuarı’nda (NREL) araştırmacılar, yeni güneş teknolojisini geliştirme çabalarına öncülük ediyorlar. Ekim 2019’da Çevre Gazetecileri Derneği yıllık toplantısına gelen gazetecilere yeni gelişmeler sundular. Toplantı Fort Collins, Colo yakınlarında yapıldı.
Güneş panelleri yapmak için büyük bir sanayi zaten var. Bugün, neredeyse hepsi ince ama sert silikon devre levhalarından yapılmıştır. Kumun temeli olan silikon ucuzdur. Ama ondan devre levhaları yapmak ucuz değildir. Devre levhaları dikkatlice kontrol edilen koşullarda imal edilmelidir ve bitmiş güneş panelleri bükülmezler.
Buna karşılık, yeni güneş panelleri perovskites adı verilen üretilmiş kristallerle yapılır. Bu kristaller, brom veya iyot gibi özelliklere sahip bir element, bir metal ve diğer bileşenler içerir. Bunların sıvı karışımı herhangi bir yüzeye boyanabilir veya yuvarlanabilir.
Fotoğraf : Eylül 2018’de fizikçi Joe Berry (sağdan dördüncü) ve Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı’ndaki diğerleri, perovskit güneş pillerinin roll-on baskı ile nasıl yapılacağını bildirdi. Süreç bir gün güneş panellerinin üretimini bugün gazete sayfalarını yazdırmak kadar hızlı hale getirebilir.
Sıvı hızla kurudukça kristaller oluşur. Kristaller, yarı iletken – bazen elektrik ileten malzemeler – olarak iyi çalışmasını sağlayacak şekilde sıralanır. Bununla birlikte, silikon esaslı güneş pillerinin panellerindeki kristallerden daha kolay ve hızlı yapılırlar.
Bu nedenle bu kristallerle tabakaları örtmek bir gün mürekkebi kağıtların haddeleme panellerine basmak kadar hızlı olabilir. Ancak bir gazeteyle sonuçlanmak yerine, bir dergi sayfası kadar esnek olabilecek güneş panelleri elde edersiniz veya perovskit sıvısı yapısal bir yüzeye boyanabilir. Bu, bir binanın güneşe bakan duvarını büyük bir güneş paneline dönüştürebilir.
Daha Verimli Olmak
Fotovoltaik malzemeler genellikle sadece belirli güneş ışığı dalga boylarıyla iyi çalışır. Hangi dalga boylarının en iyi şekilde çalıştığı, malzemelerin neyden yapıldığına bağlıdır. Kurşun bazlı perovskit kristalleri, koyu kırmızıdan kızılötesine-yakın aralıkta iyi çalışır.
Joe Berry NREL’de bir fizikçidir. O ve diğerleri kalay bazlı perovskitlerin düşük enerjili kızılötesi dalga boylarından güç üretebileceğini biliyorlardı. Ama çok verimli değildiler ve malzeme çabucak bozuldu. Böylece ekibi güneş pillerinin verimliliğini nerede kaybettiğine baktı. Kristaller ve diğer malzemeler arasındaki temas noktalarının sıklıkla kusurlar geliştirdiğini buldular.
Bir takım düzeltmeler denediler. En iyi çalışan düzeltme, guanidinyum tiyosiyanat adı verilen bir kimyasal eklemek oldu. Biyokimyacılar genellikle laboratuvarda genetik materyalin parçalarını korumak için kullanırlar. Burada Berry’nin ekibi, yüzeylere dokunan kristallerin yapısını geliştirmek için ekledi. Bu değişiklik ayrıca güneş pillerinin güneş ışığını biraz daha uzun süre toplamasına izin veriyor. Her iki yenilik de güneş panellerinin elektrik üretme yeteneğini artırdı.
“Denediğimiz çok şey vardı,” diyor Berry. Ancak böyle bir deneme yanılma, “nihai çözüm bulmak zorundaydı” diye ekliyor. Sadece ince ayarlanmış kalay malzemeden yapılan kristal paneller NREL’in testlerinde % 20.5 etkiliydi. Bu, gelen güneş ışığının beşte birini topladıkları anlamına gelir.
Çift Katlı Sandviçler
Ekip ayrıca çok katmanlı güneş panellerini de test etti. Geliştirilmiş kalay esaslı kristallerden bir katman hazırlandı. İkinci, kurşun esaslı bir tabaka ışığın diğer dalga boylarına en duyarlıdır. Katmanlar birlikte çalışır. Yani yan yana çalışıyorlar. Bu, panelin toplam verimliliğini % 23 ila 25’e yükseltti. NREL’de de malzeme bilimcisi David Moore, “O zamana kadar kalay-kurşun birleşik en iyi % 16 ila 17 verimli.” diyor. NREL ekibi yeni verilerini Science’ın 3 Mayıs 2019 sayısında paylaştı.
Moore, Berry ve diğerleri de başka bir önemli sorunla mücadele ettiler. Yeni kristallere sahip çoğu kombo güneş paneli, üst tabaka için çözeltiyi alt malzemenin üzerine dökerek yapıldı. Ancak çoğu zaman üst tabaka için sıvı alt tabakayı bozdu.
Sorunu çözmek için, araştırmacılar iki katman arasına nanometre kalınlığında bir bölücü eklediler. (Bir nanometre bir metrenin milyarda biridir.) Bir polimer seçtiler – tekrarlayan atom gruplarının uzun zincirlerinden yapılmış bir kimyasal. (Birçok plastik polimerdir.) Bu nano-bölücü, üst perovskit katmanı devam ederken alt katmana zarar gelmesini önlemeye yardımcı oldu. NREL ekibi bu düzeltmeyi Joule’un 18 Eylül 2019 sayısında açıkladı.
Fotoğraf : NREL araştırmacıları Ashley Marshall, Erin Sanehira ve Joey Luther nano ölçekli bitler içeren perovskit bileşiklerini içeren sıvılar gösteriyor. Bu perovskitler ultraviyole ışığa maruz kaldıklarında kırmızı veya yeşil yanarlar.
Her iki çalışma da “yüksek performanslı art arda dizili güneş pillerinde büyük ilerleme kaydediyor” diyor Zhiqun Lin. Atlanta’daki Georgia Teknoloji Enstitüsü’ndeki bu malzeme bilimcisi her iki proje üzerinde de çalışmadı.
Kalay bazlı kristallerin tarifini değiştirmek, onlara güneş ışığını toplamak için daha fazla zaman verdi. Lin, bunun “yeni” olduğunu ve onları daha “pratik” yapması gerektiğini söylüyor. Ayrıca, katmanlı güneş panellerindeki ikinci sorunun üstesinden geldiği için nano-bölücüyü övüyor.
Adım Adım
Ancak hala büyük zorluklar devam ediyor. Moore, ömürlerinin “en büyük barikat” olduğunu söylüyor. Çoğu silikon güneş paneli şimdi 20 yıl veya daha fazla sürüyor. Perovskite güneş pilleri o kadar dayanıklı değildir. Nem, oksijen hasarı ve diğer faktörler kristallerin verimliliğini yavaş yavaş düşürür. Zamanla çalışmayı durdurabilirler. Sadece birkaç yıl önce, bu malzemeler birkaç saat sonra bozulacaktı. İlerlemeler sayesinde, şimdi yaklaşık bir yıl sürebilirler. Ancak, yaygın kullanım için pratik hale gelmek için uzun bir yol var.
Lin kısa süre önce perovskitlerden yapılan ışık yayan diyotların (LED’ler) ömrünü uzatmanın bir yolunu buldu. Ekibi onları bir silika kabuğu ve plastik saç benzeri yapılarla kapladı. Bu kaplama suyu itti. Belki de benzer bir malzeme güneş panellerine yardımcı olabilir.
Moore sürecin neredeyse yavaş “adım adım ilerlediğini” belirtiyor. Ancak daha iyi ve daha uzun ömürlü güneş panelleri için çalışmak için çok fazla motivasyon var. Fosil yakıtlardan daha temiz ve çevre için daha iyi olma eğilimindedirler. Bunun ötesinde, enerji uzmanları 2050 yılına kadar dünyanın neredeyse % 50 daha fazla enerjiye ihtiyacı olacağını tahmin ediyorlar. İnovasyonla birlikte esnek güneş teknolojileri bir gün orada büyük bir rol oynayabilir.
Kaynak : sciencenewsforstudents.org
