Esnek güneş hücrelerinde katman sorununa moleküler çözüm

Esnek güneş hücrelerini büyütmek, küçük bir laboratuvar örneğinin yüzeyini genişletmekten daha karmaşık bir iş. Elektrik üretimini sağlayan ince katmanların bükülebilir bir yüzeye düzgün yerleşmesi, üretim alanı büyüdükçe zorlaşıyor. Çin’deki Southeast ve Soochow üniversitelerinin ortak araştırması, bu soruna katmanların birbirleriyle kurduğu kimyasal etkileşimi değiştirerek yaklaşıyor.

Science dergisinde yayımlanan çalışmada ekip, ışığı soğuran perovskit malzeme ile yük taşınmasına yardımcı olan tek molekül kalınlığındaki tabakayı aynı çözeltiden kaplamak için yeni bir yöntem geliştirdi. Çözeltiye eklenen özel molekül, iki bileşenin birbirine gereğinden güçlü bağlanmasını engelliyor. Böylece taşıyıcı tabakanın yüzeye tutunması ve perovskit kristallerinin oluşması daha kontrollü ilerliyor.

Aynı anda kaplanan iki katman neden sorun çıkarıyor?

SAM kısaltmasıyla anılan kendiliğinden düzenlenen tek moleküllü tabaka, güneş hücresinin farklı malzemeleri arasındaki elektriksel bağlantının önemli bir parçası. Bu tabakanın düzgün oluşabilmesi için moleküllerin alttaki yüzeye bağlanması gerekiyor. Esnek yüzeylerde ise pürüzlülüğün ve bağlanma noktası işlevi gören hidroksil gruplarının dağılımının değişmesi, geniş alanlarda aynı kaplama kalitesini elde etmeyi güçleştiriyor.

SAM molekülleriyle perovskit öncüllerini birlikte uygulamak, çözeltinin yüzeye yayılmasını iyileştirebiliyor. Ancak bileşenler birbirleriyle fazla güçlü etkileştiğinde başka bir sorun doğuyor. SAM moleküllerinin yüzeye tutunması aksarken perovskitin kristalleşmesi de bozuluyor. Bunun sonucunda ortaya çıkan düzensizlikler, hem enerji dönüşümünü hem de çalışma sırasında kararlılığı olumsuz etkiliyor.

Araştırmacıların “ayrıştırılmış eş kaplama” olarak adlandırdığı yaklaşım, bu etkileşimleri düzenliyor. Southeast Üniversitesinin açıklamasına göre katkı molekülünde amonyum ve iyodür iyonlarıyla iki sülfonat grubu bulunuyor. Molekül, perovskit yapısıyla bağ kurarak SAM ile perovskit arasındaki istenmeyen etkileşimi azaltıyor. SAM yüzeye daha kolay yerleşirken katkı maddesi kristal büyümesini düzenliyor ve kusurların etkisini azaltıyor.

Küçük hücre ile büyük modülün verimi farklı

Üniversitenin paylaştığı sonuçlara göre küçük alanlı esnek hücrede üçüncü taraf sertifikasyonuyla yüzde 26,86 güç dönüşüm verimine ulaşıldı. Aynı açıklamada 5 × 5 santimetrelik modül için yüzde 22,31, 10 × 10 santimetrelik modül için yüzde 20,63 ve 30 × 30 santimetrelik örnek için yüzde 20,15 verim bildirildi.

Buradaki verim, hücreye ulaşan ışık enerjisinin ne kadarının elektrik enerjisine dönüştürüldüğünü ifade ediyor. Küçük hücredeki yüzde 26,86 sonucu, 30 × 30 santimetrelik modülün verimi olarak okunmamalı. Alan büyüdüğünde kaplamanın bütün yüzeyde aynı özellikleri taşımasını sağlamak da zorlaşıyor. Araştırmanın üretim açısından önemi, yüksek verimli küçük örneğin yanında daha büyük modüller göstermesinde yatıyor.

Makalenin erişilebilir özetinde ayrıca 750 santimetrekare cihaz alanına sahip modüller için yüzde 20,2 sertifikalı verim veriliyor. Bu sonuçta yüzey kusurlarını azaltmak amacıyla fenetilamonyum iyodür kullanılmış. Üniversitenin açıkladığı dış ölçülerle makalede belirtilen cihaz alanı farklı tanımlar olduğu için bu değerleri aynı alan ölçüsüymüş gibi karşılaştırmamak gerekiyor.

1.044 saatlik test ne gösteriyor?

Dayanıklılık deneyi, 85 derece sıcaklıkta ve yüzde 65 bağıl nem altında gerçekleştirildi. Örnek, 1.044 saat boyunca maksimum güç noktası takibiyle çalıştırıldı. Bu yöntem, cihazın elektrik üretirken en yüksek gücü verdiği çalışma noktasının izlenmesine dayanıyor. Dolayısıyla sonuç, hücrenin yalnızca sıcak bir ortamda bekletilmesinden farklı bir çalışma koşulunu anlatıyor.

Interesting Engineering’in aktardığı sonuçta, 25 santimetrekarelik örneğin başlangıçtaki yüzde 22 veriminin yüzde 92,5’ini koruduğu belirtiliyor. Makalenin erişilebilir özetinde ise test edilen cihaz alanı 14,55 santimetrekare, başlangıç verimi yüzde 22 ve verim kaybı yaklaşık yüzde 8 olarak veriliyor. Bu, başlangıç performansının yaklaşık yüzde 92’sinin korunmasına karşılık geliyor. Her iki aktarımda da test süresi, sıcaklık ve nem koşulları aynı.

Korunan performans oranıyla enerji dönüşüm verimini ayırmak da önemli. Başlangıç veriminin yaklaşık yüzde 92’sini korumak, hücrenin güneş ışığını yüzde 92 verimle elektriğe çevirdiği anlamına gelmiyor. Ölçülen değer, test öncesindeki performansa göre ne kadar kayıp yaşandığını gösteriyor.

Üniversite, modüllerin eksi 40 derece ile 85 derece arasındaki sıcaklık çevrimlerinde de sınandığını ve IEC TS 63163 kapsamındaki test dizilerini geçtiğini açıklıyor. Bu teknik şartname, tüketici ürünlerinde kullanılan fotovoltaik modüllerin elektriksel, termal ve mekanik dayanıklılığını değerlendiriyor.

Taşınabilir enerji için üretim adımı gerekiyor

IEC TS 63163’ün kapsamı, sonucun kullanım alanını anlamaya da yardımcı oluyor. BSI’nin yayımladığı açıklamada telefon şarjı, kamp ve acil durum enerjisi gibi uygulamalar yer alıyor. Şartname, uzun süreli çatı kurulumları veya elektrik santralleri için kullanılan yeterlilik değerlendirmesiyle aynı kapsamda değil. Bu nedenle testleri geçmek, tek başına onlarca yıllık dış ortam ömrü göstergesi sayılmıyor.

Hafif ve bükülebilir hücreler, araç tavanlarına uyarlanabilen yüzeyler, sırt çantaları ve taşınabilir enerji sistemleri için araştırılıyor. Ancak bu çalışmada açıklanan sonuçlar bir ticari ürün duyurusu oluşturmuyor. Büyük ölçekli üretimde kaplama kalitesinin, verimin ve dayanıklılığın birlikte korunması gerekiyor.

Ekibin sonraki araştırma başlıkları arasında ayrıştırıcı moleküllerin geliştirilmesi, farklı güneş hücresi katmanlarını birleştiren tandem yapılarla uyumluluk ve rulodan ruloya sürekli üretim bulunuyor. Sürekli üretim hedefi, esnek taşıyıcı yüzeylerin bir hat boyunca kaplanabilmesine dayanıyor. Araştırmanın uygulamaya taşınması için laboratuvarda sağlanan kimyasal kontrolün bu üretim koşullarında da sürdürülmesi gerekecek.

Editör notu: Dayanıklılık sonucunda kaynaklar arasında alan ve performansın korunma oranı bakımından fark var. Interesting Engineering 25 santimetrekare ve yüzde 92,5, makalenin erişilebilir özeti ise 14,55 santimetrekare ve yaklaşık yüzde 8 kayıp bildiriyor. Kesin alan tanımı ve yuvarlama farkı tam metin ile ek veriler üzerinden netleştirilmeden başlıkta yüzde 92,5 kullanılmadı.