Güneş panellerinde antimon kalkojenür maliyeti düşürüyor

New South Wales Üniversitesi mühendisleri eskiye göre güneş panellerinin daha dayanıklı, ucuz ve efektif hale gelmesini sağlayacak solar hücreler geliştirilmesi yönünde büyük bir adım attı. Ekip antimon kalkojenürden (AK; (Sb2(S,Se)3)) yapılmış solar hücrelerin performansını artırdı. AK, optoelektronik özellikleri sayesinde gelecekteki fotovoltaik malzemeler içinde güçlü bir aday.

Yapılan çalışmada AK’nın solar verimi %10,7 olarak ölçülmüştür. Dünya üzerinde bağımsız şekilde yapılan ölçümler içerisinde AK tabanlı güneş hücreleri için en efektif  değerin bu olduğu belirtiliyor. Elde edilen bu veri, AK’nın “Solar Cell Efficiency Tables” (Güneş Pili Verimlilik Tabloları) listesine ilk kez girebilmesini sağlamıştır.

Ekip hidrotermal biriktirme sürecinin altında yatan temel kimyasal mekanizmayı keşfettiklerini belirtmektedir. Bu mekanizmanın fark edilmesi, eski çalışmalarda AK’nın neden tam olarak sahip olduğu potansiyelin keşfedilemediğini gösteriyor. Bu keşif ile özellikle AK’nın solar sektöründe daha hızlı bir şekilde gelişmesine katkı sağlayacaktır.¹

Araştırmayı yöneten profesör yeni nesil güneş paneli teknolojisinin “tandem hücreler” olduğunu söylüyor. Tandem hücreler, iki veya daha fazla solar hücrenin birbirinin üstüne konulması ile oluşuyor. Her hücre ayrı ayrı ışığı emdiği için daha fazla elektrik üretilebilmesini sağlıyor.

En üstteki hücre için geleneksel bir silikon hücre ile birlikte kullanılacak materyal ise tartışma konusuydu. Tüm malzemelerin eksi ve artıları olduğu için “ideal” bir malzeme henüz belirlenememişti, ancak AK’nın kendine ait olan özellikleri göz önüne alındığında güçlü bir aday. Bu avantajlı özellikleri:²

• Doğada bol olan elementlerden oluşması. Bu da üretimini oldukça ucuz hale getiriyor.
• İnorganik bir madde. Bu da zamanla bozulmasının bazı yeni güneş paneli malzemelerine göre daha geç olduğu anlamına geliyor. Özellikle yine popüler olan perovskit malzeme gibi havadan ve nemden o kadar etkilenmez.
• Işığı iyi bir şekilde emiyor. 300 nanometre kalınlıklı ince filmler üretilebiliyor ve bunlar güneş ışığını etkili bir şekilde absorbe edebiliyor.

Bu avantajlara rağmen, yapılan az çalışmalardan dolayı AK’nın verimliliği %10’u geçememiştir. Ancak bahsettiğimiz son çalışmada ekip, ana problemin üretimde selenyum ve sülfürün homojen şekilde dağıtılmadığı için bir enerji bariyeri oluşturduğunu keşfetti. Bu bariyer güneş ışığının solar hücre içerisindeki hareketini zorlaştırmaktadır, bu da verimliliği azaltır. Hücre içerisindeki dağılım homojen olduğu zaman, yük taşıyıcılar hücre içerisinde daha rahat hareket eder ve bu daha fazla güneş ışığının elektriğe dönüştürülebilmesi anlamına gelir. Bu problemi çözmek için üretim sürecinde az miktarda sodyum sülfat eklenir. Bu ekleme güneş ışığını emen katmandaki kimyasal reaksiyonları stabilize eder.²

Tandem güneş panellerinin yanı sıra, AK için birçok kullanım alanı bulunmaktadır. İnce yapısı, yarı saydamlığı ve 0,86 gibi yüksek çift yüzeylilik (bifaciality) değeri sayesinde gelecekte yapılacak olan şeffaf güneş pencereleri için güçlü bir aday olarak görülmekte. Bunlara ek olarak iç mekan uygulamaları için de çok uygun bir malzeme. Bu tür uygulamalarda, maksimum verimden ziyade güvenlik, kararlılık ve düşük ışık koşullarındaki performans daha büyük önem taşır.

Antimon kalkojenürün yakın gelecekte verimi %12 seviyesinde bir malzeme haline getirileceği umuluyor!

Kaynaklar

1. Qian, C., Li, J., Sun, K., Jiang, C., Huang, J., Tang, R., … & Hao, X. (2022). 9.6%-Efficient all-inorganic Sb 2 (S, Se) 3 solar cells with a MnS hole-transporting layer. Journal of Materials Chemistry A, 10(6), 2835-2841.
2. Qian, C., Sun, K., Huang, J., Yang, J., Cong, J., He, M., … & Hao, X. (2026). Regulation of hydrothermal reaction kinetics with sodium sulfide for certified 10.7% efficiency Sb2 (S, Se) 3 solar cells. Nature Energy, 1-10.