Cambridge Üniversitesi‘ndeki araştırmacılar; mükemmele yakın, performansından ödün vermeden ucuz güneş pilleri elde etmek için perovskit olarak bilinen umut verici bir malzemeyi stabilize etmek adına bir yöntem geliştirdiler.
Perovskit 1839 yılında Gustav Rose tarafından Rusya’nın Ural Dağlarında keşfedilmiştir. Adını ise Rus mineralog Lev Perovski’den almıştır1. Perovskit kalsiyum, titanyum ve oksijenden oluşan, ABX3 formüllü kübik yapıya sahip bir malzemedir, en bilinen örneği kalsiyum titanattır (CaTiO3). Mühendisler tarafından geliştirilmeye oldukça açık bir mineraldir2. Perovskit mineralinin genel özelliklerine bakıldığında metaller gibi parlaktır. Kırılgan bir mukavemete sahiptir. Siyah, kahverengi, gri, turuncu ile sarı renklerini barındırır. Farklı element kombinasyonlarından kaynaklanan birçok farklı perovskit vardır, ancak son yıllarda ortaya çıkan ve en umut verici olanlardan biri ise, formamidinyum (FA) bazlı FAPbI3 kristalidir.
Araştırmacılar, perovskit filmlerini oluştukları sırada istenen faza yönlendirmek için şablon olarak organik bir molekül kullandılar. Perovskit malzemeler, güneş pilleri ve LED’ler gibi optoelektronik cihazlar üretmek için silikona göre daha ucuz bir alternatif sunuyor. Günümüzde kullanılan güneş hücreleri, yarı iletken tabanlıdır ve silikon 1950 ‘li yıllardan bu yana birincil yarı iletken malzeme olarak kullanılmaktadır2. Silikonun yarı iletken özellikleri güneş ışınları ile uyumludur ve yeryüzünde bol miktarda bulunmaktadır. Geleneksel güneş panellerinde kullanılan silikon kristallerin üretimi ve işlenmesi oldukça maliyetli ve çok aşamalıdır.
Bileşik termal olarak kararlıdır ve cihazın enerji çıkışıyla yakından bağlantılıdır ama var olan bant aralığı fotovoltaik uygulamalar için ideal değildir. Bu nedenlerle, ticari olarak temin edilebilen perovskit güneş pilleri geliştirme çabalarının odak noktası olmuştur. Bununla birlikte, bileşik bir fazın mükemmel fotovoltaik performansa yol açması ve diğerinin çok az enerji çıkışı ile sonuçlanması, birbirinden biraz farklı iki fazda mevcut olabilir.
Cambridge’in Cavendish Laboratuvarı‘ndan ortak yazar Tiarnan Doherty: “FAPbI3 ile ilgili büyük bir sorun ise istediğiniz fazın yalnızca 150 oC üstündeki sıcaklıklarda kararlı olmasıdır.” dedi3. Oda sıcaklığında, fotovoltaikler gerçekten kötü sonuçlar doğurabilecek başka bir aşamaya geçer. Malzemeyi daha düşük sıcaklıklarda istenen fazda tutmaya yönelik son çözümler, bileşiğe farklı pozitif ve negatif iyonların eklenmesini içeriyordu. Bu iyonların eklenmesi ile stabiliteyi arttırmak amaçlanmış fakat ortaya çıkan perovskit yapısı ile ilgili çok az şey biliniyordu.
Doherty: “Bu yöntem başarılı oldu ve fotovoltaik cihazların kaydedilmesi sağlandı ancak yine de meydana gelen güç kayıpları var. Filmde doğru fazda olmayan bölgelerle karşılaşıyorsunuz.” dedi.
Doherty: “İnsanlar bu malzemeleri stabilize ettiklerinde ideal bir kübik yapı oldukları konusunda ortak bir fikir birliğine vardı. Tüm bu diğer unsurları ekleyerek bunların kübik olmadığını, çok hafif çarpık olduklarını gösterdik. Oda sıcaklığında bir miktar doğal stabilite sağlayan çok ince bir yapısal bozulma var.” dedi. Bozulmanın çok küçük olduğunu belirten Doherty ve meslektaşları, perovskit malzemeler üzerinde yaygın olarak kullanılmayan hassas yapısal ölçüm teknikleri kullanana kadar daha önce hiç fark edilmemişti4.
Ekip, bu kararlı fazın gerçekte nasıl göründüğünü ilk kez görebilmek için taramalı elektron kırınımı , nano-X-ışını kırınımı ve nükleer manyetik rezonansı kullandı. “Bu stabiliteyi sağlayan şeyin, hafif yapısal bozulma olduğunu anladıktan sonra karışıma başka herhangi bir unsur eklemeden film hazırlığında bunu başarmanın yolları arandı.”
Satyawan Nagane, perovskit prekürsör çözeltisinde bir katkı maddesi olarak Etilendiamintetraasetik asit (EDTA) adlı organik bir molekül kullandı. Bu, bir şablonlama maddesi olarak işlev görür ve perovskit oluşurken istenen faza yönlendirir. EDTA, yapıyı yönlendiren bir etki vermek için FAPbI3 yüzeyine bağlanır ancak FAPbI3 yapısının kendisine dahil olmaz. Nagane: “Bu yöntemle, istenen bant aralığını elde edebiliyoruz çünkü malzemeye fazladan bir şey eklemiyoruz, bu sadece bozuk yapıya sahip bir filmin oluşumuna rehberlik eden bir şablon ve sonuçta ortaya çıkan film son derece kararlıdır.” diye belirtti.
Warwick Üniversitesi‘nden Dominik Kubicki: “Bu şekildeki, perovskit fotovoltaikler için mükemmele yakın bir bileşiğin diğer elektronik özelliklerini değiştirmeden sadece bozulmamış FAPbI3 bileşiğinde bu hafif çarpık yapıyı oluşturabilirsiniz.” dedi.
Araştırmacılar, bu temel çalışmanın perovskit stabilitesini ve performansını iyileştirmeye yardımcı olacağını umuyorlar. Gelecekteki çalışmalar, bu tekniğin mükemmel perovskit fotovoltaik hücreler oluşturmasına nasıl yardımcı olabileceğini keşfetmek için bu yaklaşımı prototip cihazlara entegre etmeyi içermektedir.
Cambridge Üniversitesi’nden Dr. Sam Stranks: “Bu bulgular, optimizasyon stratejimizi ve bu malzemeler için üretim yönergelerimizi değiştiriyor. Biraz deforme olmayan küçük cepler bile performans kayıplarına yol açacaktır ve bu nedenle üretim hatlarının, farklı bileşenlerin ve bozuklaştırıcı katkı maddelerinin nasıl ve nerede biriktiği konusunda çok hassas bir kontrole sahip olması gerekecektir.
Kaynaklar
1. Thankappan, A., & Thomas, S. (Eds.). (2018). Perovskite Photovoltaics: Basic to Advanced Concepts and Implementation. Academic Press.
2. www.cei.washington.edu/education/science-of-solar/perovskite-solar-cell/
3. https://techxplore.com/news/2021-12-templating-approach-stabilises-ideal-material.html
4. Doherty, T. A., Nagane, S., Kubicki, D. J., Jung, Y. K., Johnstone, D. N., Iqbal, A. N., … & Stranks, S. D. (2021). Stabilized tilted-octahedra halide perovskites inhibit local formation of performance-limiting phases. Science, 374(6575), 1598-1605.
5. https://www.oist.jp/news-center/photos/schematic-perovskite-solar-cell