Son yıllarda fotovoltaiklerin performansında büyük bir artış gerçekleşti. Bu artış güneş enerjisi teknolojilerinin kullanımını ve yaygınlaşmasını oldukça destekledi. Dünyanın dört bir yanındaki enerji uzmanları güneş pilleri performansını, verimliliğini ve kullanımını daha da arttırmak amacıyla çeşitli çalışmalar sürdürmeye devam ediyorlar.
Organik-inorganik hibrit perovskitlere dayanan güneş pilleri, çeşitli avantajlı özellikleriyle gelecek vaat etmektedir. Bu özellikler yüksek ışık emilim katsayısı, uzun yük taşıyıcı difüzyon uzunlukları ve yüksek taşıyıcı hareketliliği gibi üstün optoelektronik özelliklerdir. Ancak performanslarının, güneşin yeryüzüne ulaşan enerjisinin silisyum güneş hücreleri tarafından elektrik enerjisine dönüştrülebilen maksimum %33’lük sınıra (Shockley–Queisser sınırı) ulaşabilmesi için hala geliştirilmesi gereken noktalar bulunmaktadır. Perovskit güneş hücreleri (PSCs) yaklaşık %20’lik güç enerji dönüşümü (PCE) değerine ulaşmasına rağmen üretimden kısa bir zaman sonra verimliliğinde düşüş gözlemlenmiştir ve bu durum PSC’lerde kararsızlık mekanizması olarak bilinmektedir. Kararsızlık probleminin temel kaynağı havadaki su buharı, oksijen, ışık ve sıcaklık olarak tanımlanmaktadır.1
2011 yılındaki çalışmalarda PSCs’nin üretiminden 10 dakika sonra %80 oranında bozunuma uğradıkları tespit edilmiştir. 2012 yılındaki çalışmalarda ise spiroMeOTAD tabanlı perovskit güneş hücreleri üretilerek kararlılık durumları dakikalardan 500 saate kadar çıkartılmıştır. 2013 yılındaki çalışmalarda Al2O3 tabanlı PSCs’nin 1.000 saat kararlılık durumuna ulaşıldığı rapor edilmiştir. Kararsızlık mekanizmasının çözümüne yönelik çalışmalarda araştırmacılar, pillerin verimliliğini ve kararlılığını artırmak için yeni bir strateji önerdiler. Bu strateji, perovskit güneş pillerinde elektron taşıma katmanı (ETL) olarak mezogözenekli molibden disülfür (MoS2) içermekteydi.
PSCs’de mezogözenekli yapıya sahip elektron taşıma katmanları, perovskit katmanı ile yüzey temasını artırarak etkili yük ayrımı ve çıkarımı sağlar, bu sayede yüksek verimli cihazlar elde edilmesine olanak tanır ancak PSC’lerde en yaygın kullanılan ETL malzemesi olan TiO₂, 500 °C’nin üzerinde bir sinterleme sıcaklığı gerektirir ve çalışma kararlılığını sınırlayan bir fotokatalitik reaksiyona maruz kalır. Son çalışmalar, SnO2 gibi alternatif ETL malzemeleri bulmaya odaklanmıştır.
Araştırma ekibi, daha önce fotodedektör, pil, LED ve bunun gibi teknolojilerde kullanılan optoelektronik özelliklere sahip çok yönlü bir malzeme olan mezogözenekli MoS₂’yi kullandılar. Mezogözenekli MoS2 ETL’nin eklenmesinin %25 üzerinde verimlilik ve kararlılık sergileyen güneş pilleri ürettiğini keşfettiler.
MoS2‘nin dikkat çekici özelliklerinden biri, düşük sıcaklıkta işlenebilir olmasıydı. Sadece 100 °C’de işlenebilen bu malzeme, esnek cihaz üretimi gibi alanlar için büyük bir potansiyel sunmaktadır. Ayrıca MoS2 , perovskit kristal kalitesini artırmakta ve Van der Waals epitaksiyel büyümeyi destekleyerek malzemedeki kalıntı gerginliği azaltmaktadır. Bu durum, daha düzgün ve stabil bir film oluşumuna olanak tanır. Geniş yüzey alanına sahip mezogözenekli yapısı, yük ayrımı ve ekstraksiyonunu da optimize ederek yük transfer verimliliğini artırmaktadır.
Araştırmacıların açıkladığı verilere göre, MoS2 tabanlı PSC’lerin TiO2 tabanlı cihazlara oranla daha yüksek performans sergilediğini göstermektedir. Ayrıca, fotolüminesans (PL) ve zaman çözünürlü PL analizleri, MoS2’nin yük taşıyıcı ömrünü kısalttığını ve bu sayede daha hızlı yük transferine olanak tanıdığını ortaya koymaktadır. Dahası, MoS2 tabanlı PSC’ler, geniş alanlı uygulamalarda bile performans kaybı yaşamadan çalışabilmektedir. Bu, MoS2‘nin özellikle ticari ölçekte büyük yüzeyli güneş panelleri için uygun bir malzeme olduğunu göstermektedir. Raman spektroskopisi ve X-ışını kırınımı (XRD) gibi yöntemlerle yapılan detaylı analizlerde, MoS2‘nin perovskit filmler üzerindeki olumlu etkisini doğrulamaktadır.2
Bu umut verici bulgular, mezogözenekli yapıya sahip MoS2 tabakası ekleyerek organik-inorganik PSCs’nin verimliliğini ve kararlılığını artırmaya yönelik çalışmalara katkı sağlayabilir. Bu çalışmalar PSCs’nin performansını silikon bazlı PV’ler aynı seviyeye getirmeye yardımcı olarak, temiz bir gelecek için geniş çapta kullanım katkı sağlayabilir.
Kaynaklar
- Yılmaz, G., & Özkök, Ç. (2018). Perovskit Güneş Hücreleri ve Kararsızlık Problemleri. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 9(Ek (Suppl.) 1), 297-304. https://doi.org/10.29048/makufebed.428570
- Koo, D., Choi, Y., Kim, U. ve diğerleri. Verimli ve kararlı perovskit güneş hücreleri için bir elektron taşıma katmanı olarak mezogözenekli yapılandırılmış MoS2 . Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01799-8