Güneş Pili Teknolojisinde Yeni Bir Umut: Perovskit Güneş Pilleri
Bilindiği üzere güneş pilleri yenilenebilir enerji kaynakları arasında ön plana çıkan alternatifler arasındadır. Bir güneş pilinin verimliliği ne kadar güneş ışığını soğurabildikleri ve bu ışığın ne kadarını elektrik enerjisine çevirebildikleriyle ölçülmektedir. Güneş pili verimliliği galyum arsenür (GaAs) ince filmlerinde %40’a çıkabilmektedir ama bu güneş pilleri çok yüksek maliyetlerinden ötürü yalnızca uzay teknolojilerinde, örneğin haberleşme uydularında kullanılmaktadır. Ticari olarak en yaygın kullanılan güneş pillerinden biri olan silisyum temelli güneş pilleri ise yaklaşık %20 verimliliğe sahiptir. Yine de tek kristalli silisyum (Si) üretiminin yüksek maliyeti bu güneş pillerinin istenilen yaygınlıkta kullanılmalarını engellemektedir. Güneş pillerinin üretim maliyetlerini düşürmek ve yeni uygulamalara uyumlu teknolojiler geliştirilmesi amacıyla farklı malzemeler araştırılmıştır. Yakın geçmişte geliştirilen ve kısmen ticarileşebilen güneş pilleri arasında amorf silisyum. Bakır-İndiyum-Galyum-Selenür (CIGS), boya ile aktifleştirilmiş güneş pilleri (Dye-Sensitized) ve organik güneş pilleri sayılabilir.
Şimdilerde ise varlığı uzun zamandır bilinen ancak güneş pili uygulamalarında yeni kullanılmaya başlanan perovskit tipi güneş pilleri dikkat çekmektedir. Perovskit güneş pillerinin laboratuvar ölçeğindeki elde edilen verimlilikleri şimdiden ticari silisyum güneş pilleriyle yarışmaktadır. Bu yazıda perovskit güneş pili teknolojisi daha ayrıntılı anlatılmaya çalışılacaktır.
Perovskit kristal yapısı temel olarak ABX3 şeklinde bir stoikometriye sahip bileşiklerin genel adıdır. Kalsiyum titanat (CaTiO3) en klasik örneklerinden biridir. Perovskit güneş pili uygulamalarında ise güneş ışığını soğuran katman olarak bir organik-inorganik hibrit bileşik olan, kurşun ve kalay esaslı malzemeler kullanılmaktadır. Perovskit güneş pili malzemeleri genellikle ucuzdur ve nispeten üretimi basittir. Perovskitlerdeki geniş soğurum spektrumu, hızlı yük ayırma, elektronların ve boşlukların uzun nakil mesafesi, uzun taşıyıcı ayırma ömrü gibi özellikler bu güneş pillerinin umut verici bir teknoloji olarak ön plana çıkmalarını sağlamıştır. Güneş enerjisi endüstrisi, hemen hemen tüm görünür dalga boylarında ışığı soğurabilen, yüksek verimli güç dönüştürme verimliliğine sahip (%20) ve üretim kolaylığı sunan bu teknolojinin şimdiden ticarileşme yollarını aramaktadır.
Perovskit güneş pillerini gösterir cihaz mimarisi (solda) ve bu mimarinin enerji seviyelerini gösteren diyagram (sağda). (Image: Christopher J. Rhodes; from doi:10.3184/003685014X14098307810589)
Basitçe belirtmek gerekirse, perovskit güneş pilleri verimliliği arttırmayı ve güneş enerjisinin maliyetini düşürmeyi hedeflemektedir. Perovskit güneş pili teknolojisinin diğer güneş enerjisi teknolojilerine göre büyük bir avantajı ise farklı dalga boylarında ışığa tepki gösterebilmesidir. Bu durum da, onlara aynı güneş ışığının daha fazla elektriğe dönüştürülmesine olanak tanınması olarak karşımıza çıkmaktadır. Bir başka anahtar avantaj ise enerji kullanımından veya ışıktan elektriğe dönüştürme sürecinde perovskit güneş pillerindeki düşük kayıptır. Örneğin bu kayıp organik güneş pillerinde %50 gibi yüksek bir orana karşılık gelebilmektedir. Ayrıca, çok daha düşük işlem maliyetine sahiptirler. Ayrıca, perovskit tabanlı güneş pilleri esneklik, yarı şeffaflık, uyarlanmış form faktörleri, hafiflik ve daha fazlasını sunar. Doğal olarak, elektronik tasarımcıları ve araştırmacılar, bu özelliklerin güneş pilleri için daha fazla uygulama alanı açacağı konusunda hemfikirdirler.
Büyük potansiyeline rağmen, elbette perovskit güneş pili teknolojisinin bazı dezavantajları ve çözülmeyi bekleyen problemleri bulunmaktadır. Bu sorunlar arasında perovskit yapı dışında kullanılan yüksek maliyetleri metaller ve bu yapıların düşük kararlılıkları söylenebilir. Diğer bir sorun ise güneş pillerinde en yaygın olarak kullanılan ve en optimum verimlilik/maliyet değerleri sunabilen perovskit hücrelerin kurşun metali içermesidir. Kurşun metalinin sağlık açısından oluşturduğu tehditler ortaya çıktıktan sonra tüm kullanımı kısıtlanmaya başlanmıştır. Örneğin elektronik sanayiinde birleştirme amaçlı kullanılan lehim malzemesinin ana bileşenlerinden birinin kurşun olması sebebiyle kurşunsuz lehim geliştirilmesi projeleri son yıllarda çok büyük önem kazanmıştır. Aynı şekilde kurşun içermeyen perovskit malzemelerinin geliştirilmesi amacıyla çok yoğun çaba sarf edilmektedir.
Büyük zorluklar var olmakla birlikte, perovskit güneş pilleri hala geleceğin güneş pili teknolojisinde umut veren adaylar arasında görülmektedir. Bilim insanları ve şirketler, perovskit güneş pillerinin verimliliği ve kararlılıklarını arttırmak ayrıca zehirli malzemeleri daha güvenli hale getirmek için çalışmaktadırlar.
Referans:
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=45249.php
Şahin COŞKUN
Yazar
