Hızla artan dünya nüfusu, beraberinde enerji ihtiyacı doğuruyor. Enerji sektörü bu ihtiyacı büyük ölçüde fosil yakıtlarla karşılasa da bu çözüm küresel ısınma gibi birçok soruna neden oluyor. Bu sorunu aşmak için global ve birçok ulusal firma yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelirken, enerjinin verimli depolanması en kritik nokta olmaya devam ediyor. İşte bu noktada, güneş pili ve enerji depolama ünitesini tek bir gövdede birleştiren foto-destekli şarj edilebilir süperkapasitörler (PSC’ler) devreye giriyor.
Yenilenebilir enerji teknolojilerinin endüstride öncü olmalarının önündeki engellerden biri, güneş ve rüzgâr gibi kesintili kaynakların verimli depolanmasıdır. Bu durumda, geleneksel pillerin sınırlı çevrim ömrüne alternatif olarak güneş enerjisi hasadını ve elektrokimyasal yük depolamasını tek bir elektrot çatısı altında birleştiren PSC’ler öne çıkmaktadır. PSC’ler, ışık altında fotonların yarı iletken yapıda oluşturduğu elektron-deşik (e⁻/h⁺) çiftleri sayesinde şarj kinetiğini hızlandırırken, elektriksel çift tabakalı kapasitans (EDLC) veya yalancı kapasitans (pseudocapacitance) mekanizmalarıyla uzun döngü ömrü boyunca yapısal bütünlüğünü koruyabilmektedir. Bu yeni nesil kompakt cihazlar, enerji depolama sistemlerinde güneş enerjisiyle beslenen ve kendi kendine yeten yeni teknolojilerin kapısını aralıyor.1
PSC tasarımları üç kategoriye ayrılıyor: ayrı bir fotovoltaik birimle şarj edilen süperkapasitörden oluşan tandem sistemler; depolama katmanları ile ışık toplama biriminin tek bir yapıda birleştirildiği kompakt entegre (all-in-one) cihazlar; ve yalnızca bir elektrotun fotoaktif olduğu asimetrik tasarımlar. Tüm bu cihazların temelinde aynı düzen var: yarı iletken fotoelektrotta, foton enerjisinin yarı iletkenin bant aralığına eşit veya ondan büyük olması durumunda elektronlar iletkenlik bandına uyarılıyor ve elektron-deşik çiftleri oluşuyor. Elektronlar dış devreye taşınırken deşikler elektrot-elektrolit arayüzüne yönelip yükseltgenme tepkimelerine katılıyor. Bu süreç, ışığın doğrudan elektrokimyasal yüke dönüştürülmesini sağlıyor. Bu tasarımı uygulayan örnekler sektörde giderek artıyor. Nanoçiçek şeklinde tasarlanan bir ZnCo2O4 elektrot, içi boş küre yapılı bir CuCo2S4 elektrotla birleştirildiğinde, ışık altında literatürdeki en yüksek değerlerden birine, yani yaklaşık 60,9 Wh.kg⁻¹ enerji yoğunluğuna ulaşan bir asimetrik süperkapasitör meydana geliyor. Bakır köpük üzerine büyütülen bir başka nanotel yapıda ise ışık, hem cihazın ürettiği voltajı hem de depolayabildiği yükü belirgin şekilde artırıyor. Cihaz 5.000 döngü boyunca kapasitansının yaklaşık %85’ini koruyor.
Fotoelektrot tasarımı da (Tip I ve Tip II) performansı doğrudan etkileyen faktörler arasında yer alıyor. Flor katkılı kalay(IV) oksit (FTO), polianilin, elektrolit, Co(OH)2/Ni(OH)2 ve tungsten katkılı titanyum dioksit (WTiO2) katmanlarından oluşan bir yapıda, ışığa maruz kalan WTiO2 katmanı elektron-deşik çiftleri üretiyor. Bu çiftler redoks tepkimelerini tetikleyerek enerji hasadı ile depolamanın eş zamanlı gerçekleşmesini sağlıyor. Benzer bir tasarımda kullanılan nikel-kobalt kaplı titanya fotoelektrotları, 10.000 döngü sonunda kapasitansının %94’ünü koruyor. TiO2 nanotüpleri üzerine kurulu bir başka elektrotta ise özgül kapasitans ışık altında karanlığa göre yaklaşık iki katına çıkıyor. Standart lityum-iyon piller 500 ila 3.000 döngüde ömrünü tamamlarken, süperkapasitörler yüz binlerce, hatta milyonlarca şarj ve deşarj döngüsüne dayanabiliyor ve işlemleri pillerden çok daha hızlı gerçekleştiriyor.
Performansı belirleyen bir diğer faktör de elektrolit seçimi. Sulu hidroksit bazlı elektrolitler yüksek iyonik iletkenlik ve düşük maliyet gibi özellikler içerirken, iyonik sıvı bazlı elektrolitler düşük uçuculuk, yüksek termal kararlılık ve geniş elektrokimyasal pencere avantajlarıyla yüksek verimli cihazlar için ideal olarak değerlendiriliyor. Sulu çinko-bromür (ZnBr2) sistemleri, çinkonun indirgenmesi ve bromürün yükseltgenmesi tepkimeleriyle çalışırken, foto-asit özellikli 2-nitrobenzaldehit içeren bir elektrolit örneğinde ışığa maruz kalan sistem, kimyasal değişim geçirerek şarj oluyor.
PSC’lerin günlük hayatta yer aldığı alanlar, giyilebilir elektronik, IoT cihazları, akıllı ev sistemleri ve elektrikli araçlardan şebeke dışı sistemlere kadar gidiyor. MnO-Mn3O4/karbon kompozit mikroküre elektrotlarına dayanan boya duyarlı bir asimetrik süperkapasitör, 1.000 lüks iç mekân aydınlatması altında %21,6 ışıktan yüke dönüşüm verimi sağlıyor. Bu verim sayesinde, güneş ışığının yetersiz olduğu iç mekân gibi ortamlarda düşük güçlü ekranlar, kablosuz sensörler ve akıllı ev elektroniği gibi uygulamalar için de kullanım alanı oluşturuyor.
Bu devrim niteliğindeki teknolojinin de tabii ki geliştirmesi gereken alanlar var. Ölçeklenebilirlik ve standardizasyon bunlardan ikisi. En yaygın kullanılan fotoelektrot malzemelerinden WO3 ve TiO2‘nin geniş bant aralığına sahip olması, ışık soğurmasını yalnızca UV bölgesiyle sınırlandırıyor ve toplam güneş enerjisi kullanım verimini düşürüyor. Dar bant aralıklı malzemeler ve heterojonksiyonlar görünür ışık tepkisini artırsa da yük taşıyıcı rekombinasyonu ve uzun vadeli kararsızlık gibi sorunlarla karşılaşabiliyor. Ayrıca fotoaktif ve kapasitif bileşenler arasındaki arayüz kayıpları, elektrolitin sürekli aydınlatma altında fotokimyasal yan tepkimelere maruz kalması ve standart test protokollerinin eksikliği, çalışmalar arası iletişimi zorlaştırıyor. Araştırmacılar bu durumda AM1.5G aydınlatma koşulları altında en az 5.000 döngü test edilmesi gibi standardize edilmiş ölçüm prensiplerinin yaygınlaşmasını umuyor. Makine öğrenmesi destekli malzeme taramaları da bant aralığı ve arayüz tasarımı optimizasyonunu hızlandıracak gelişmeler arasında yer alıyor.
Tüm bu gelişmeler, foto-destekli şarj edilebilir süperkapasitörlerin, güneş enerjisi hasadı ile elektrokimyasal depolamayı tek bir yapıda birleştirerek kendi kendine yeten, taşınabilir ve giyilebilir enerji sistemleri için uygulanabilir bir alan oluşturduğunu gösteriyor. Malzeme tasarımı, arayüz mühendisliği ve elektrolit optimizasyonundaki ilerlemeler kaydedildikçe, bu teknolojinin laboratuvar ölçeğinden pratik uygulamalara geçiş sürecinin de hızlanması umutla bekleniyor.2
Kaynaklar