Güneş Panellerinin Geleceği: Perovskite Güneş Hücresi

Güneşten elektrik üretimi temiz enerjiye geçiş politikalarıyla birlikte daha fazla önem kazanmaya başladı. En yaygın kullanılan elektrik üretim yöntemi ise fotovoltaik güneş enerji sistemlerdir. Bu sistemlerde kullanılan güneş panelleri bünyesinde yer alan yarı-iletken kristal malzemeden üretilen güneş hücreleri, güneşten elektrik üretimini sağlayan temel birimlerdir. Tabi bu geleneksel güneş hücrelerinin verimlilikleri belirli değerlere kadar yükseltilebilmektedir. Uygulama verimlilikleri %15-%20 arasıdır. Ama günümüzde yeni bir güneş hücresi türü oyun değiştirici olarak pazara giriş yapıyor. Perovskite, olarak bilinen bu yeni güneş hücresi türü, güneşten elektrik üretiminde yeni bir çağ başlatabilir. Şimdi gelin perovskite güneş hücresi nedir yakından inceleyelim.

Perovskite Nedir?

Perovskite, kalsiyum titanat (CaTiO₃) ile aynı kristal yapıda olan bir malzemedir ve tam olarak kübik yapıya yakın bir formdadır. Genel olarak perovskite bileşiği A ve B’nin katyonları, X’in de anyonu temsil ettiği ABX₃ şeklinde bir kimyasal formüle sahiptir. Çok sayıda birbirinden farklı elementler perovskite yapıları oluşturmak için birleştirilebilir. Bu bileşimsel esnekliği kullanarak, bilim insanları perovskite kristallerini fiziksel, optik ve elektriksel karakteristiklerine gibi çeşitli özelliklerine sahip olabilmeleri için dizayn edebilirler. Mühendislerin ve bilim insanlarının geliştirmesi için oldukça uygun bir bileşiktir. Perovskite, süperiletkenlik, manyetik direnç gibi birçok özelliğe sahip benzer bir yapıyı paylaşan malzemelerin bir sınıfıdır.

Güneş hücrelerinin geleceği olarak görülen perovskite daha ucuz ve daha verimli bir fotovolaik teknolojiye olanak sağlıyor. Ayrıca perovskite teknolojisinin yeni nesil elektrikli araç batarlarında, sensörlerde, lazerlerde ve daha birçok alanda önemli bir rol oynayacağı öngörülüyor.

Perovskite Nerelerde Kullanılır?

Bu içeriğimizde perovskite mineralinin güneş hücrelerinde kullanımının üstünde durulsa da, perovskite diğer sektörlerde de kullanılmaktadır. Bu sektörleri aşağıdaki gibi listeleyebiliriz.

• Elektrikli araç bataryalarında
• Sensörlerde
• Lazer teknolojide
• Ultrason Makineleri
• Bellek yongalarında
• LED teknolojisinde
• Güneş hücresi üretiminde

Perovskite Güneş Hücresi Nedir?

Günümüzde kullanılan güneş hücreleri yarı iletken tabanlıdır ve silikon 1950’li yıllardan bu yana birincil yarı iletken malzeme olarak kullanılmaktadır. Silikonun yarı iletken özellikleri güneş ışınları ile uyumludur ve yer yüzünde bol miktarda bulunmaktadır. Ancak geleneksel güneş panellerinde kullanılan silikon kristallerin üretimi ve işlenmesi oldukça maliyetli ve çok aşamalıdır. 2012 yılında, araştırmacılar, kurşun halide perovskite kullanarak, nasıl %10 verimlilikte kararlı, ince-film perovskite güneş hücresi üretebilecekleri keşfettiler. O zamandan bu yana laboratuvar kayıtlarına göre %25,2 ile güneş ışığından elektrik üretim verimliliğinde büyük bir artış sağlandı.

Perovskite Güneş Hücresi Verimliliği

Araştırmacılar ayrıca, geleneksel silikon güneş hücreleri ile perovskite güneş hücrelerini birleştirerek tandem hücreler ile %29,1 verimlilik elde ettiler. Hücre verimliliğindeki bu hızlı artış ile perovskite güneş hücreleri ve perovskite tandem güneş hücreleri yakında ticari olarak geleneksel silikon güneş hücrelerinin oldukça ucuz, yüksek verimlilikteki alternatifi haline gelebilir.

NREL’in araştırma sonuçlarını gösteren yukarıdaki grafikte de görüldüğü gibi, en verimli güneş hücre tipi %40 verimliliği geçen Galyum Arsenür (Ga-Ar)’dür. Ancak bu hücre tipinin üretimi oldukça pahalı olduğu için genellikle uzay araştırmaları için tercih edilir. Öte yandan grafiğe göre perovskite güneş hücresinin verimliliği %25,2 ve perovskite-silikon tandem güneş hücresinin verimi de %29,1’dir.

Perovskite, malzemesinin güneş hücrelerinde kullanımı, güneş enerjisi ile elektrik üretiminde bir devrim olarak nitelendiriliyor. Üretiminin ucuz, hızlı ve verimli olması sebebiyle, perovskite güneş hücreleri ile geleneksel güneş panelleri ile aynı verimlilikte, hatta daha yüksek verimlilikte ve daha ucuz güneş panelleri oluşturulabilmektedir.

Perovskite güneş hücresi, en yaygın olarak hibrit organik-inorganik kurşun veya tin halide tabanlı malzemeden oluşturulan perovskite yapılı bileşiklere sahip bir güneş hücresidir. Perovskite malzemeler, mükemmel ışık emilimine, yük taşıma kabiliyetine ve uzun kullanım ömrüne sahiptir. Tüm bu özellikleri ile düşük maliyetli, endüstriyel uyumluluk ve yüksek verimlilik sağlarlar.

Perovskite güneş hücresi, şüphesiz fotovoltaik sektörünün şuan için yükselen yıldızı konumundadır. Laboratuvar ortamında %25 çalışma verimliliği çok rahat bir şekilde geçebilmektedir. Perovskite güneş hücreleri, ticarileşmeden önce birçok testlerden geçirilmeli ve tüm yönleri ile silisyum tabanlı geleneksel güneş hücreleri ile kıyaslanmalıdır.

Perovskite güneş hücreleri yüksek araştırma ve geliştirme bütçeleriyle hala geliştirilmektedir. Ayrıca laboratuvar ortamındaki verimliliği her geçen gün artış göstermektedir. Örneğin perovskite güneş hücresinin ilk kez verim testinin yapıldığı 2006 yılında verimi %3 iken günümüzde ise % 25’i geçmektedir.

Perovskite Güneş Hücresinin Avantajları

Perovskite güneş hücrelerinin, geleneksel güneş hücrelerine göre birçok avantajı bulunmaktadır. Başlıca avantajları şu şekildedir.

• Perovskite güneş hücreleri, yüksek verim potansiyeline sahiptir.
• Geleneksel güneş hücrelerine göre üretimi daha hızlıdır ve daha düşük enerji gerektirmektedir.
• Perovskite, silikon ile kıyaslandığında daha az malzeme ile aynı oranda güneş ışığını absorbe etme yeteneğine sahip olduğundan daha ucuzdur.
• Perovskite, görünür ve kızıl ötesi ışığa yakın aralıktaki spektrumlarda (800 nm) yüksek ışık soğurma katsayısına sahiptir. (10⁵ cm^-1)
• Perovskite ayrıca 1,5 eV optik bant aralığına sahiptir.

Perovskite Güneş Hücresinin Dezavantajları

Gelişen her teknoloji gibi perovskite güneş hücresinin de dezavantajları bulunmaktadır. Perovskite güneş hücrelerinin başlıca dezavantajları aşağıdaki gibidir.

• Büyük kapasitede üretim güçlüğü
• Kurşundan dolayı çevreye zarar verebilme potansiyeli
• Nem, UV ışığı ve hava yoğunluğu gibi dış etkiler altında dayanımının yetersiz olması

Sonuç

Perovskite malzemesi hiç şüphesiz güneş enerji sektörünün seyrini değiştirecektir. Temiz enerji teknolojilerinin kullanımının daha çok artması hiç kuşkusuz maliyetlerinin düşmesi ile mümkün olacaktır. Bu sebeple yüksek verimli ve düşük maliyetli yeni teknolojiler piyasa çok hızlı bir şekilde uyum sağlayacaktır. Ancak perovskite güneş hücresi, öncelikle çok sayıda saha testine tabi tutulmalı. Özellikle yüksek sıcaklık, nem, kirlilik gibi verim düşürücü faktörler altında test edilmeli ve bunlara uyum sağlayacak şekilde iyileştirilmelidir. Ayrıca geleneksel hücreler gibi uzun çalışma süresine sahip olması gerekliliği de bir diğer önemli faktördür.

Kaynaklar

• NREL
• Perovskite-info
• CEI-Washington