İklim değişikliğinin negatif etkilerinin belirginleştiği günümüzde enerji ihtiyacının fosil yakıtlar yerine karbonsuz enerji kaynaklarından sağlanması kaçınılmazdır. Ulaşılabilecek en temiz ve karbonsuz enerji kaynağının Güneş olduğu herkes tarafından bilinmektedir. Güneş’in daha verimli bir kaynak olarak kullanımı ise fotovoltaik (PV) sistemlerinin geliştirilmesi ile mümkün olacaktır. Fotovoltaik sistem denilince akla ilk gelen başlıklardan biri güneş pilleri ve çeşitleridir.
Tek bağlantı içeren güneş pilleri; iletim, termalleşme, rekombinasyon ve parazitik direnci gibi verimlilik kaybına sebep olan etmenler içermektedir. Bu verimlilik kaybının önüne geçilmesi amacıyla yaklaşımlar geliştirilmeye çalışılmıştır. Çoklu bağlantı (tandem) güneş pilleri (TSC’ler) bu yaklaşımlardan biridir. Bu piller güneş kaynaklı elektromanyetik spektrum aralığını daha geniş aralıklarda yakalayarak elektrik enerjisine dönüştürme amacı taşıyan çeşitli bant aralıklarına sahip güneş pillerini bir arada bulundurur. TSC’ler iki bağlantı noktası içermektedir: Üst kısımda yüksek enerjili fotonları emip daha düşük enerjili fotonları ileten geniş bant aralığına sahip bir bağlantı ve alt kısımda geniş bant aralıklarına sahip bağlantı tarafından iletilen daha düşük enerjili fotonları emen dar yapılı bant aralığına sahip katman.1 TSC’lerdeki çoklu bağlantıların çeşitli bant boşluklarına sahip olması, daha geniş bir dalga boyu aralığındaki ışığı absorbe ederek tek bağlantılı bir güneş pilinin verimlilik sınırını ifade eden Shockley-Queisser (S-Q) limitinin kırılmasını kolaylaştırmaktadır. Bu durum, tek bağlantı içeren pil versiyonuna göre TSC’lerin daha yüksek verimlilik oranı göstermesinin yolunu açmıştır.
Tandem güneş pilleri için ideal aday olarak perovskit güneş pilleri (PSC’ler) gösterilmektedir. Bunun ana sebepleri, PSC’lerin ayarlanabilir bant aralıklarına sahip olması, %26,7’ye kadar yüksek güç dönüştürme verimliliği (PCE) ne ulaşabilmeleri ve kolay üretim süreçleridir.2 Ayrıca perovskitin ağırlıklı olarak kalsiyum titanattan oluşan bir mineral olması, bu malzemenin güneş pillerinde çoğunlukla kullanıldığı bilinen silikonun yerini -hem ucuz ve verimli hem de daha kolay üretilebilir olmasından dolayı- alabileceğine dair tezleri güçlendirmiştir. Bu düşünceler sonucu tamamen perovskit tandem güneş pilleri üzerinde çalışma yürütme fikrini ortaya atan Çin’deki Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden bir ekibi; rekor verimliliğe sahip bir pil tasarlayarak, bu tasarımın verimliliğini deneylerle desteklemiştir.3
TSC’lerin verimliliğinin artması, elektriksel ve optik kayıpların minimum düzeye indirilmesi ile mümkün olabilmektedir. Bu kayıpları minimuma indirmenin yolu ise bahsedilen bağlantı bölgelerinden alt bağlantı bölgesinde yer alan hücrelerin yüksek kalitede olması ve ayrıca ara bağlantı katmanlarının üretiminden geçmektedir. Bu bağlamda karşılaşılan bazı problemler mevcuttur. Tamamen perovskit TSC’ler, özellikle Sn–Pb karışımının mevcut olduğu perovskit alt hücresinde Sn–Pb karışımlı perovskit ile fulleren (C60) bazlı elektron taşıyıcı tabaka (ETL) arasındaki arayüzde oluşan ciddi derecede ışınımsız taşıyıcı rekombinasyonları nedeniyle istenmeyen yüksek açık devre voltaj (VOC) kaybı ve düşük sayılabilecek dolum faktörü (FF) iyileştirilmesi gereken problemler arasında yer almaktadır. Perovskitin yüzeyinde bulunan kusurlar Sn-Pb karışımının geçirdiği kontrolsüz kristalleşme süreçlerinden kaynaklanmaktadır. Bu durum, Sn2+ iyonlarının yüzeyde birikmesine yol açmakta ve bu iyonlar oksitlenerek Sn4+ şeklinde doping kusurları oluşturmaktadır. Ayrıca, tavlama* işlemi sırasında organik türlerin buharlaşması, özellikle film yüzeyinde organik amonyum katyonu ve I− boşluğu (VA ve VI) ile ilişkili kusurların oluşumuna neden olmakta ve bu durum Sn–Pb karışımlı perovskitlerin stokiyometrisini bozmaktadır. Yapılan tasarım bu problemleri çözmeye yönelik yaklaşımlar içermektedir.
Verimlilik artışı için yüzey kusurlarını minimize etmenin yanı sıra bu kusurları pasifleştirerek ışınımsız rekonstrüksiyon kayıplarının en aza indirilebileceği de görülmüştür. Sn4+ iyonu sebebiyle oluşan doping kusurlarıyla beraber ve VA ve VI ile ilişkili sorunların çözümünde tek bir yüzey pasifleştiricinin kontrollü deneysel takibiyle, yüksek kaliteli Sn-Pb karışımlı perovskit filmi üretmek için yüzey düzenleyici olarak 1,4-bütandiamin (BDA) ve etilendiamonyum diiyodür (EDAI2) birlikte kullanılarak çarpıcı bir yüzey rekonstrüksiyon stratejisi sunulmuştur. Elde edilen bulgularda BDA’nın Sn-Pb karışımlı perovskit film yüzeyinde kimyasal cilalama etkisi ile Sn4+ iyonuyla ilgili yüzey kusurlarını azaltmada önemli bir rol oynadığı, EDAI2‘nin ise VA ve VI ile ilgili kusurların etkili yüzey pasifleştirilmesini sağladığı gözlemlenmiştir. Bahsedilen BDA-EDAI2 yüzey inşa stratejisi, ideal stokiyometrik orana oldukça yaklaşılmasını sağlamakla beraber düzgün yüzey potansiyeline sahip yüksek kalitede bir yüzey elde edilmesine zemin hazırlamaktadır. Bu da perovskit ile elektron taşıyıcı tabaka (ETL) arasındaki arayüzde ışınımsız rekonstrüksiyonun azaltılması ve Fermi** seviyelerinin iyi hizalanmasıyla sonuçlanır.
Bu strateji, 1,32 eV ve 1,25 eV bant aralıklı PSC’ler için sırasıyla %22,65 ve %23,32 verimlilik değerleri ile birlikte artan açık devre voltajı (VOC) ve dolum faktörü (FF) sağlamıştır. Tüm bunların yanı sıra, 0,0871 cm² aktif alana sahip en iyi performans gösteren iki eklemli monolitik TSC’ler, 2,12 V VOC ve %83,88 FF ile rekor oran olan %28,49 sertifikalı güç dönüştürme verimliliği (PCE) elde etmiştir. Yüzey rekonstrüksiyonunun modül düzeyindeki cihazlarda da etkili olduğunu doğrulanmış ve 11,3 cm² açıklık alanında %23,39’luk oranla yine birinci olan PCE elde edilmiştir. Ek olarak, kaplanmış tandem hücrelerinin, ortam havasında maksimum güç noktası takibi (MPPT) altında 550 saatlik sürekli çalışmadan sonra başlangıç PCE’lerinin %79,7’sini koruduğu bildirilmiştir.4
Tamamen perovskit tandem güneş hücrelerinde elde edilen %28,49’luk mükemmel verimlilik değeri; zamanla farklı yaklaşımlar da geliştirilerek, solar enerji dünyasının karbon içermeyen kaynaklardan enerji üretimi isteğine yeni ve yeşil kapılar açacaktır.
*Tavlama: Çeşitli çeliklerin, dökme demirlerin ve alaşımların sertliğini azaltmak ve sünekliğini ve tokluğunu artırmak için ısı kullanmasını içeren işlemdir. **Fermi seviyesi: Elektronlarla tam olarak yarıya kadar dolu olma olasılığı olan herhangi bir enerji seviyesidir.
Nehir Atabay
Kaynaklar
- https://www.ossila.com/pages/perovskite-tandem-solar-cells#what-are-tandem-solar-cells
- Li, H., & Zhang, W. (2020). Perovskite tandem solar cells: from fundamentals to commercial deployment. Chemical Reviews, 120(18), 9835-9950
- https://techxplore.com/news/2024-09-perovskite-tandem-solar-cell-efficiency.html
- Pan, Y., Wang, J., Sun, Z., Zhang, J., Zhou, Z., Shi, C., … & Chen, W. (2024). Surface chemical polishing and passivation minimize non-radiative recombination for all-perovskite tandem solar cells. Nature Communications, 15(1), 7335.