Geleceğin Teknolojileri Arasında Olması Beklenen Perovskit/Silisyum Tandem Güneş Pillerinin Saha Testleri Gerçekleştirildi!

Perovskit, oksit mineraller kategorisinde yer alan, kristal yapısı ABX₃ olan bir mineraldir. Perovskitlerin metal halojenür formunda üretilen ince filmleri, ışığı soğurma konusundaki üstün yetileri sayesinde foto aktif malzemeler olarak kullanılabilmektedir. Bu malzemelerden üretilen perovskit güneş pilleri, 2009 yılından bu yana, alışılmışın dışında, çok hızlı bir gelişme eğrisi gösterdi. Bu olağanüstü performansın merkezinde malzemenin kendi yapısından kaynaklanan eşsiz yarı iletken özellikleri yatmakta. Şu sıralar, fotovoltaik alanında çalışan araştırma grupları bu malzemeleri daha durağan (uzun ömürlü) ve geniş alanlara uygulanabilir hale getirmek için sıkı bir şekilde çalışmaktalar.

Ancak, halihazırda bu aygıtların var olan ve halen fotovoltaik pazarının %95'inden fazla pazar hakimiyeti bulunan silisyum teknolojisini kısa sürede yakalaması pek kolay görünmüyor (Silisyum güneş pilleri, tek kristal ya da çoklu kristal silisyum tabakalar üzerine üretilen ve güneş ışınımlarını elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlar olarak bilinir). Bunun altında yatan sebepler; hala tek başına perovskit güneş pillerinin ömürlerinin silisyum kadar uzun olmaması (genelde silisyum için 25 seneden daha fazla çalışma ömrü belirlenir), birçok ince film kaplama tekniği olmasına rağmen henüz hangi yöntemin geniş alanlara uygulamada daha uygun olduğunun test edilip kesinleştirilememesi ve standart endüstriyel testlerin henüz basari ile gerçekleştirilmemiş olması gibi sebepler sayılabilir.

Bu tartışmalara bir yana, bilim çevrelerindeki genel kanı perovskit güneş pillerinin silisyum güneş pillerinin yerini almasından ziyade, onunla beraber “tandem” formunda çalışmasının daha faydalı olacağı yönünde. Esasında, bu silisyum teknolojisinin de uzun zamandır arayışta olduğu bir durum. Tandem güneş pili, değişik enerji aralığına sahip birden fazla güneş pilinin üst üste eklenmesiyle oluşturulur. Böylelikle güneş ışınımına daha duyarlı bir aygıt oluşturulur.

NREL

Silisyum güneş pilleri maliyet konusunda son 10 yılda çok fazla yol kat etti ve şu anda maliyet/güç oranı 20-25 ¢/W seviyelerine kadar düşmüş durumda. Ancak fotovoltaik endüstrisinin devam edebilmesi ve kendi alanını genişletilebilmesi için bu değeri daha aşağıya çekmeleri gerekmekte. Diğer yan maliyetler, örneğin evirici, cam, çerçeve gibi modül malzemeleri, kurulum maliyetleri ve arsa giderleri gibi maliyetlerden daha fazla düşüm yapılması çok mümkün görünmüyor. Mevcut silisyum güneş pillerinin 5-7 yıl içerisinde teknolojik limitlerine ulaşacağı düşünülürse, bunun için tek yol mevcut güneş pillerinin verimini arttırmaktan geçiyor.

Bu bağlamda, perovskit güneş pilleri çok önemli fırsatlar sunuyor. Perovskitlerin yarı iletken optik band aralıklarının ayarlanabilmesi ve silisyum üzerine maliyet etkin olarak üretilebilmesi en önemli sebepler. Bu doğrultuda, birçok ülke perovskit/silisyum güneş pillerine ciddi yatırımlar yapmakta ve halihazırda Oxford Üniversitesinden doğan Oxford PV firması bu güneş pillerini pazara getirmeye en yakın şirket konumunda. Ayni zamanda, KAUST, EPFL, HZB, NREL, UNSW gibi dünyaca ünlü üniversitelerde konu ile ilgili yoğun araştırma faaliyetleri yürütülmekte.

KAUST Fotovoltaik Laboratuvarı

Ben de 2017 yılından bu yana bu alanda Kızıldeniz yanında yer alan KAUST Solar Center’da (KAUST Güneş Araştırmaları Merkezi) doktora sonrası çalışmalarımı yürütmekteyim. Buradaki temel hedefim yüksek verimli perovskit/silisyum tandem güneş pillerinin endüstriyel ölçekte üretime hazırlanması doğrultusunda. Halihazırda KAUST tarafından desteklenen 2 milyon dolar bütçeli “perovskit/silisyum tandem güneş pilleri” araştırma projesinin baş araştırmacısı pozisyonumu sürdürüyorum. KAUST Fotovoltaik Laboratuvarı'nda yaptığımız uzun bir altyapı kurulum aşamasından sonra, ben ve çalışma arkadaşlarım, 2020 yılının başında Science dergisinde yayınlanan çalışmamızda bu teknolojiyi daha ucuz üretebilmek için çözelti yöntemiyle üretilen perovskit güneş pillerini standart silisyum güneş pillerini adapte edip %25.7 verime ulaşmayı başardık (silisyum güneş pili kendi başına %22 verimle çalışmakta).^[3]

Science

2020 Eylül ayında, yeni bir çalışma ile, bu sefer endüstriyel üretime çok uygun olan vakum tekniklerini kullanarak, %25.1 verimle ve optik olarak çok daha iyi akım toplayabilen aygıtlar ürettik. Daha sonra bu güneş pillerinin Suudi Arabistan'ın Cidde kentinde saha performansını ölçtük. Cidde kentini seçmemizin temel sebebi, güneşlenme süresinin çok uzun olması ve bu sayede daha fazla güç üretimine olanak vermesiydi. Esasında, bu tip tandem güneş pillerinin en uygun konumlandırılabileceği yerlerin başında bu sıcak iklimler yer almakta (Türkiye'de ise Konya-Karaman bölgesi buna benzer en uygun bölge olabilir).

KAUST

Bu ölçümleri alırken, güneş pillerinin çalışması ile ilgili ilginç bir davranış gözlemledik: gerçek çalışma koşullarında aygıtlar 60˚C sıcaklığa kadar ulaşırken (laboratuvar ölçümleri standart sıcaklık olan 25˚C'de yapılır), perovskit yarı iletkenlerin akım toplama kapasiteleri azalıyor (optik bant aralığının artması), silisyum güneş pillerininki artıyordu (optik bant aralığının azalması). Bu silisyum ve diğer inorganik yarıiletkenler için bilinen bir durum olsa da perovskit tam tersi bir davranış gösteriyordu. Bu da bütün aygıt tasarımının gerçek çalışma koşulları için yeniden yapılması anlamına geliyordu. Bu doğrultuda çalışma arkadaşım Thomas G. Allen ile birlikte en uygun malzeme özelliklerini farklı sıcaklıklar için yeniden hesapladık ve bu çalışmamız, dünyanın enerji alanında en saygı duyulan dergisi olan Nature Energy'de yayınlandı.^[4]

Nature Energy

Bir paradigma değişiminin eşiğinde olduğumuz bu dönemde, önümüzdeki birkaç yıl içerisinde bu alanda başka çığır açıcı gelişmeler olması da kaçınılmaz. Özellikle 2021 yılında %30 verim değerinin aşılacağını düşünüyorum ki bu değer silisyum güneş pillerinin ulaşabileceği değerlerin çok üzerinde. Bugün yıllık hacmi 50 milyar doları bulan fotovoltaik endüstrisi, bu dönüşümden önümüzdeki 10 yıl içerisinde kaçamayacaktır. Ülkemizin de bu yeni nesil teknolojiyi yakalaması, pazarda Türk firmalarına öncelik sağlayacaktır.