Femostansaniye lazer ile güneş enerjisinde devrim

Güneş enerjisi, güneşte meydana gelen nükleer füzyon tepkimeleri sonucunda oluşur. Yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynaklarından biri olarak gösterilebilir. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında güneş enerjisi bir önceki yıla oranla yaklaşık %30 oran artışı ile 2024 yılı kurulu gücünü 2,2 TW’a çıkarmıştır.¹

Güneş enerjisi, yenilenebilir enerji kaynakları arasında en yüksek kapasiteye sahip olmasına rağmen bu fotovoltaik (PV) teknolojisinin verimliliği ticari olarak %25 civarında olması ile yeterli düzeylerde değildir. Bunun sebebi ışığın tam olarak soğrulamaması ve konvektif ısı kayıplarıdır.² PV’ler ışığı direk elektrik enerjisine çevirir ve bu sırada oluşan ortam ısısı pillerin verimliliğini negatif etkiler. Güneş termoelektrik jeneratör (STEG) sistemlerinde ise Seebeck etkisi ile güneş ışığı önce ısıya, ardından elektriğe dönüşür. Panelin güneş gören sıcak tarafı ile arka tarafın daha az sıcak olan tarafı arasında oluşan sıcaklık farkı elektrik enerjisini üretmektedir. Ancak, sıcak taraf güneş enerjisinin UV bölgesinde yüksek oranda ışın emerken kızılötesi (IR) bölgede az miktarda emmesi ve soğuk tarafta yetersiz ısı dağılımı bu teknolojinin yaygınlaşmasını engelliyor.³ Bu noktada, geliştirilen yeni ısıl tasarımların nasıl çalıştığını görmek için sistemin genel yapısına incelemek lazım. Şekil 1’de gösterilen sistem, sıcak ve soğuk bölgeler arasındaki ısı dağılımını dengeleyerek enerji kayıplarını azaltmaktadır. Burada kullanılan seçici emici yüzeyler ve mikro soğutucu tasarımlar, hem ısıl yönetimi hem de spektral kontrolü aynı anda sağlayan temel bileşenlerdir.

Bu verim kayıplarını ve sorunları önlemek için, Rocher Üniversitesi Optik Enstitüsü’nden bir araştırma ekibinin üzerinde çalıştığı ve geliştirdiği yeni nesil STEG teknolojisi, performans artışında devrim açan büyük bir adıma imza atmakta. Araştırmacılar bu yeni teknolojide spektral mühendisliği ve termal yönetim stratejilerini birleştirerek, cihazın her iki ucunda da enerji verimliliğini maksimum düzeye çıkaran yeni bir sistem tasarladılar.² Cihazın sıcak tarafında, yüksek erime noktasına (3422°C) ve yüksek mekanik dirence sahip tungsten (W) yüzeyler, femtosaniye lazer kullanarak mikro ve nano ölçeklerde işlenmiş ve böylece seçici güneş emici (W-SSA) yapısına dönüştürülmüştür. Bu işlem, yüzey plazmon rezonans alanını en uygun hale getirerek güneş spektrumunun geniş bir bölümünde yüksek absorpsiyon sağlarken, 2,5-20 µm dalga boyundaki IR bölgede düşük salınım elde edilmesine imkan sağlıyor. Böylece ışıma yoluyla ısı kayıpları minimuma indiriliyor.^3,4 Ayrıca, sera odası tasarımı ile birlikte, doğal konveksiyon yoluyla gerçekleşen ısı kayıplarında %40’tan fazla azalma gözlemlendi. Bu özel tasarım, 5 mm kalınlığında sabit bir hava filmi tabakası kullanarak hem iletim hem de konveksiyon yoluyla gerçekleşen ısı transferini etkili bir şekilde baskı altına alıyor. Böylece sıcak yüzey ile çevre arasındaki doğrudan ısı akışı sınırlandırlırken, sistemin genel ısıl verimliliği de artılıyor ve enerji kayıpları minumum seviyeye indiriliyor.² Soğuk kısımda, alüminyum (Al) yüzeyler, tıpkı sıcak kısmındaki gibi femtosaniye lazer teknolojisi kullanarak yüksek hassasiyet oranında işlenmiş ve mikro yapılı, yüksek kapasiteye sahip ısı dağıtıcılar (μ-dağıtıcılar) haline getirilmiştir. Bu işlem sonucunda, yüzey üzerinde hem mikro hem de nano ölçekte karmaşık yapılar oluşturularak yüzey alanı yaklaşık %180 oranında artırılmıştır. Bununla orantılı olarak konveksiyon yoluyla ısı yayılımı belirgin şekilde bir artış gözlemlendi. Yüzeyin morfolojik yapısında meydana gelen bu değişimler yalnızca konvektif soğutmayı geliştirmekle kalmamış, bununla birlikte IR emisyon kapasitesini yaklaşık 7,2 kat artırarak radyatif soğutma etkisini de önemli ölçüde artırıp güçlendirmiştir.⁴ Bu gelişmeler sayesinde, μ-dağıtıcılar (mikro-dağıtıcılar) klasik tasarımlı Al soğutucularla kıyaslandığında 2,3 kat daha yüksek verimlilikte soğutma performansı sergilemiştir. Sıcak kısımda gerçekleştirilen seçici güneş emici (W-SSA) geliştirmeleri ile soğuk kısma uygulanan bu yüksek kapasiteli μ-dağıtıcılar bir araya getirildiğinde, sistemin toplam ağırlığında yalnızca %25’lik bir artış yaşanmıştır. Buna rağmen elektrik üretiminde 15 kata kadar varan bir artış elde edilmiştir.² Bu etkileyici gözle görülür performans artışı, teknolojinin taşınabilir enerji çözümleri, kablosuz sensörler, giyilebilir elektronikler ve tarımsal izlenme sistemleri gibi geniş bir yelpazede kullanılabilmesini mümkün kılmaktadır. Bunun ötesinde, geliştirilen bu sistem hibrit PV-TE (Fotovoltaik-Termolelektrik hibrit sistem) mimarisine entegre edildiğinde, hem gündüz hem de gece çalışabilen, düşük sıklıkta bakım gerektiren ve uzun ömürlü enerji çözümleri sunmaktadır.³ Ayrıca, üretim sürecinde tercih edilen femtosaniye lazer işleme yöntemi, geleneksel olarak kullanılan çok katmanlı kimyasal kaplama veya vakumlu ince film biriktirme gibi hem karmaşık hem de çevreye zararlı üretim süreçlerine kıyaslandığında, tek bir adımda uygulanabilen, ölçeklenebilir ve çevre dostu bir alternatif sunmaktadır.⁴ Bu gelişme, teknolojiyi laboratuvar sınırlarının ötesinde, seri üretimde ve ticari alanlarda kullanılabilir hale getiriyor.

Kaynaklar

1. International Energy Agency. (2025). World Energy Outlook 2025. IEA.
2. Xu, T., Wei, R., Singh, S. C., & Guo, C. (2025). 15-Fold increase in solar thermoelectric generator performance through femtosecond-laser spectral engineering and thermal management. Light: Science & Applications, 14(1), 268.
3. https://techxplore.com/news/2025-08-black-metal-heavy-boost-solar.html
4. Chen, Z., et al.. (2020). Efficient charge transfer in all-inorganic CsPbBr3 perovskite solar cells enabled by a novel interface engineering strategy. NPG Asia Materials, 12(1), 1–11.