Kurşun İçermeyen ve Kolayca Açılıp Kapanabilen Güneş Paneli Malzemeleri Geliştirildi!

Fotovoltaik olarak da bilinen güneş panelleri, Güneş'ten gelen enerjiyi elektriğe çevirmek için yarı iletken cihazlara veya güneş pillerine ihtiyaç duyuyor. Güneş pillerinin ise elektrik üretmek için artı ve eksi yükleri birbirinden ayıracak bir elektrik alanına ihtiyacı var. Bu alanı elde etmek için imalatçılar, genelde güneş pilini kimyasallar ile katkılıyorlar. Böylece cihazın bir katmanı artı yük taşırken, diğeri eksi yük taşıyor. Bu çok katmanlı model, elektronların, cihazın negatif kısmından pozitif kısmına geçmesini sağlıyor. Bu, cihazın dayanıklılığı ve performansı açısından çok önemli. Fakat kimyasal katkılama ve katmanlı sentez, aynı zamanda güneş pili imalatına fazladan masraf çıkarıyor.

Berkeley Laboratuvarı ve UC Berkeley'deki bilim insanları, güneş pili imalatına çok daha basit bir yöntem sunan benzersiz bir geçici çözüm yolu ortaya koydular. Çözüm, yerleşik bir elektrik alanına sahip olan kristal bir solar malzemeydi (Güneş pillerinin imalatında kullanılabilen malzemeler) ve bu, bilim insanlarının ferroelektriklik diye adlandırdıkları bir özellik ile sağlanıyordu. Malzeme, Science Advances dergisinde tanıtıldı.^[1]

Laboratuvar ortamında sezyum germanyum tribromürden (CsGeBr₃ veya CBG) üretilen yeni ferroelektrik malzemesi, Güneş pili cihazlarının yapımını çok daha kolaylaştırabilir. Klasik solar malzemelerin aksine, CBG kristalleri, kendiliğinden kutuplanmış durumdalar. Kristalin bir tarafı artı, diğer tarafı eksi yük oluşturduğundan, katkılamaya ihtiyaç duyulmuyor.

Ferroelektrik olmasının yanında, CBG, aynı zamanda kurşunsuz bir halojenür perovskit. Yakın zamanda ortaya çıkan bir solar malzeme sınıfı olan halojenür perovskitler, uygunluğu ve silikona kıyasla daha rahat sentezlenebilmesiyle araştırmacıların ilgisini çekiyor. Ancak en kullanışlı halojenür perovskitlerin çoğu, doğal olarak içerisinde kurşun elementini bulunduruyor.

Diğer araştırmacılara göreyse, perovskit-temelli solar malzemelerin üretiminde ve imhasından çıkan kurşun kalıntıları çevreyi kirletebilir ve halk sağlık sağlığı sorunlarına sebep olabilir. Bu sebeplerden dolayı araştırmacılar, performanstan ödün vermeden içerisinde kurşun bulundurmayan yeni halojenür perovskit formülasyonları aramaya başladılar.

Şu anda Berkeley Laboratuvarı Malzeme Bilimi bölümünde kıdemli bir bilim insanı ve UC Berkeley'de de Kimya ve Malzeme Bilimi ve Mühendisliği profesörü olan, aynı zamanda yeni solar malzeme teknolojileri ve yapay fotosentez için tek boyutlu yarı iletken nanotellerdeki öncü çalışmalarıyla tanınan önemli bir nanomalzeme uzmanı olan Peidong Yang şöyle söylüyor:

Sadece Güneş'ten enerji üretmekle kalmayıp aynı zamanda kendiliğinden oluşmuş bir elektrik alanına sahip, kurşunsuz bir solar malzeme düşünün. Güneş enerjisi ve elektronik endüstrilerindeki ihtimaller heyecan verici.

Araştırma esnasında Berkeley Laboratuvarı Malzeme Bilimi bölümü kıdemli bilim insanı ve UC Berkeley Kimya ve Malzeme Bilimi ve Mühendisliği profesörü unvanlarını taşıyan Ramamoorthy Ramesh ise araştırmanın ortak kıdemli yazarlarından. Şu anda Rice Üniversitesinde araştırma başkan yardımcısı olan Ramesh, şöyle söylüyor:

CBG, ayrıca ışığa tepki veren anahtarlama cihazları, sensörler ve süper dayanıklı bellekler geliştirebilir.

Perovskit güneş tabakaları, genelde döndürmeli kaplama veya mürekkep püskürtmeli baskı gibi düşük maliyetli solüsyon kaplamalar kullanılarak yapılıyor. Bir solar malzemeye dönüştürmek için 1500 santigrat derece işlem sıcaklığı gerektiren silikondan farklı olarak, perovskitler oda sıcaklığından 150 santigrat dereceye kadar solüsyonlarda kolayca işlenebiliyor. Bu düşük işlem sıcaklıkları, imalatçıların enerji maliyetlerini büyük ölçüde azaltıyor.

Güneş enerjisi sektörüne olan potansiyel katkılarına rağmen, perovskit solar malzemeler piyasaya kısa sürede hazır olmayacak gibi duruyor. Araştırmacıların öncelikle ürün sentezinde, dayanıklılığında ve malzeme sürdürülebilirliğinde üstesinden gelmesi gereken zorluklar var.

En İyi Ferroelektrik Perovskiti Bulmak!

Perovskitler, üç farklı elementten kristalleşir ve her bir perovskit kristali ABX₃ kimyasal formülüne sahiptir. Aslında çoğu perovskit solar malzeme ferroelektrik değildir; çünkü kristal atom yapıları, tıpkı bir kar tanesi gibi simetriktir. Son birkaç on yıldır, Ramesh ve Yang gibi yenilenebilir enerji araştırmacıları, ferroelektrik potansiyeline sahip egzotik perovskit (özellikle de asimetrik perovskit) arayışındalar.

Birkaç sene önce, o zamanlar Yang'in laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi araştırmacısı olan başyazar Ye Zhang, nasıl kurşunsuz bir ferroelektrik perovskit yapabileceğini düşündü. Şu an Northwestern Üniversitesinde doktora sonrası araştırmacı olan Zhang, perovskitin ortasına germanyum atomu yerleştirmenin kristalliğini bozmaya yetecek kadar ferroelektrik üreteceği teorisini öne sürdü. Üstelik germanyum-bazlı perovskit, kurşun malzemesini serbest bırakacaktı.

Fakat Zhang, germanyuma odaklansa da, hala bir takım belirsizlikler mevcuttu. Sonuçta en iyi kurşunsuz ferroelektrik perovskit formülünü oluşturmak, samanlıkta iğne aramak gibiydi. Binlerce olası formülasyon mevcuttu.

Bu yüzden Yang, Zhang ve ekipleri; Berkeley Laboratuvarında Moleküler Döküm ve Malzeme Bilimleri bölümünde görevli bilim insanı olan Sinéad Griffin ile işbirliği yaptılar. Griffin, kuantum hesaplama ve mikroelektronik de dâhil olmak üzere çeşitli uygulamalar için yeni malzeme tasarımında uzmanlaşmış biri. Malzemeler Projesinin de desteğiyle Griffin, yoğunluk fonksiyonel teorisine dayanarak ileri düzey teorik hesaplamalar yapmak için Ulusal Enerji Araştırmaları Bilimsel Hesaplama Merkezindeki (NERSC) süper bilgisayarları kullandı.

Bu hesaplamalar, atomik yapıyı ve kimyasal türleri girdi olarak alıp elektronik yapı ve ferroelektriklik gibi özelliklerini öngörebiliyordu. Griffin ve ekibi bu hesaplamalarla, ferroelektrik perovskit olma şartlarının hepsini taşıyan tek izomerik inorganik perovskit olan CBG'ye odaklandılar. Asimetrik mi? Evet, atomik yapısı dikdörtgenin eğri kuzeni olan eş altıyüzlüye benziyor. Gerçekten bir perovskit mi? Evet, CeGeBr₃ kimyasal formülü perovskitin sembolik ABX₃ yapısına uyuyor.

Araştırmacılar; germanyumun kristalin merkezine asimetrik yerleşiminin, tıpkı elektrik alanı gibi elektrik üretmek için pozitif elektronları negatiflerden ayıran bir potansiyel yaratacağını düşündüler. Peki, haklı mıydılar?

CBG'nin Ferroelektrik Potansiyelini Ölçme

Bunu bulmak için Zhang, olağanüstü bir kontrol ve hassasiyetle küçük tek kristalli CBG nanotelleri ve nanoplakaları üretti. Nanoteller 100 ila 1,000 nanometre çapında, nanoplakalar ise 200 ila 600 nanometre kalınlığında ve 10 mikron genişliğindeydi. Yang şöyle söylüyor:

Laboratuvarım yıllardır kurşunu daha az toksik malzemelerle nasıl değiştirebileceğimizi bulmaya çalışıyor. Ye, tek kristalli germanyum halojenür perovskit üretmek için harika bir teknik geliştirdi. Üstelik ferroelektriklik üzerine çalışmak için de güzel bir platform.

Gelişmiş Işık Kaynağı'nda yapılan X-ray deneyleri, CGB'nin asimetrik kristal yapısını ortaya koydu. Bu da bir ferroelektriklik sinyaliydi. UC Irvine'de Xiaoqing Pan tarafından yürütülen elektron mikroskopisi deneyleri, CBG'nin ferroelektrikliği üzerine daha fazla kanıt ortaya çıkardı. Bunlardan biri de germanyum merkezi tarafından dengelenen yer değiştirmiş bir atomik yapıydı.

Bu arada Ramesh laboratuvarında Zhang ve UC Berkeley fizik lisansüstü öğrenci araştırmacı ve çalışmanın ortak yazarı Eric Parsonnet başka bir deney üzerine çalışıyordu. Elektrik ölçümü deneyleriyle ekip, CGB'de ferroelektrikliğin başka bir gereksinimini daha karşılayan değiştirilebilir polarite keşfetti.

Ancak son olarak Yang'in UC Berkeley laboratuvarında yapılan ışıl iletkenlik ölçümü deneyi, sevindirici ve aynı zamanda beklenmedik bir sonucu ortaya çıkardı. Araştırmacılar CGB'nin ışık soğurulmasının görünür ışık ile ultraviyole ışık (1.6 ila 3 elektron volt) arası spektrumda ayarlanabilir olduğunu keşfettiler. Yang şöyle söylüyor:

Bu, bir güneş pilinde yüksek enerji değiştirme verimliliklerini bir araya getirmek için ideal bir aralık. Geleneksel ferroelektriklerde böyle bir ayar bulabilmek çok zor. CGB malzemesi ticari bir güneş cihazında piyasaya sürülmeden önce daha yapılacak çok iş var. Yine de şu ana kadar elde ettiğimiz sonuçlardan oldukça memnunum. Özünde bir tuz olan bu ferroelektrik malzemesi şaşırtıcı bir şekilde birçok farklı özelliğe sahip. Malzemenin asıl potansiyelini gerçek bir güneş pili cihazında test etmek için sabırsızlanıyoruz.