Ultra-ince şeffaf altın elektrotlar ile güneş pilleri daha saydam

Yeni ultra ince metal elektrotların geliştirilmesi ile yarı saydam perovskit/silikon güneş hücrelerinin performansını büyük ölçüde artırabilecek çalışmalar son zamanlarda artmıştır. Bu araştırmalar ile beraber tamamen şeffaf güneş pillerini geliştirmeye yönelik çalışmaların da hız kazanması beklenmektedir.

Bu çalışmalardan birinde Penn State’de malzeme bilimi ve mühendisliği alanında görev yapan Profesör Kai Wang: “Şeffaf güneş hücreleri ev veya ofis pencerelerinde bir yer bulabilir, böylelikle boşa harcanacak güneş ışığından, elektrik üretilebilir. Yaptığımız çalışma sonucunda verimli ve yarı saydam güneş pillerini üretmeyi başardık.” demiştir.

Bilim insanları, daha verimli güneş hücreleri oluşturmak için teknolojinin sınırlarına ulaştıklarına inanıyorlar. Perovskit hücrelerin umut verici bir alternatif sunduğunu ve bunları silikon güneş hücreleri üzerine yerleştirilmesi ile daha verimli tandem güneş hücreleri oluşturulabileceğini söylemişlerdir. 

Ayarlanmış bant aralığına sahip perovskitler, her bir alt hücrenin içsel güç dönüşüm verimliliğini (PCE) artırma konusunda büyük bir potansiyeli olan perovskit/silikon tandem güneş hücrelerini üretmek için bir fırsat sunar. Üst hücre için üst elektrotun şeffaflığı ve iletkenliği, tandem güneş pillerindeki verimliliği artıran ana bileşenlerdendir. 

Yarı saydam perovskit cihazların ve tandem güneş pillerinin verimliliğini artırmak adına elektrot olarak krom (Cr) tabakanın üstüne ultra ince altın (Au) tabaka kaplanmıştır. Altının yüzey enerjisi, güneş hücresinde kullanılan organik malzemelerden (OM) yüksektir. Bu yüzden Au nanoparçacıkları OM’den “spiro-OMeTAD” alt tabakasına daha az yapışır. Termal buharlaştırma ile Au kaplama yapılırken Au nanoparçacıkları birbirine yapışır ve Au adacıkları oluşur (Volmer-Weber ilkesi ile). Bu çalışmada gösterilmiştir ki, Cr’nin yüzey enerjisi (2,62 J/m²) Au’dan (1,51 J/m²) 2 kat fazla olduğundan Cr tabakasının (1 nm) üzerine Au (7 nm) kaplandığında yukarıda bahsi geçen Au adacıkları kaybolmaktadır ve bu sayede sürekli ultra ince bir film elde edilmiştir¹.

Cr-1 nm/Au-7 nm filmi, MgF₂ yansıma önleyici katman ile birleştirildiğinde 400-2500 nm aralığında, %78,6 oranında geçirgenlik sağladığı bildirilmiştir. Ayrıca tabaka direnci (sheet resistance), diğer şeffaf iletken oksit (TCO) elektrotlar ile yarışabilir bir direnç oranı (16,3 Ω/sq) göstermektedir².

Penn State Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü Shashank Priya: “Neredeyse birkaç atomik altın tabakasından elektrotlar yapabileceğimizi gösterdik. İnce altın tabaka, yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir ve aynı zamanda hücrenin güneş ışığını absorbe etmesine müdahale etmez.” demiştir².

Nano Energy dergisinde yayınlanan bulgulara göre, ekibin geliştirdiği yarı saydam bir hücre için %19,8 oranında bir verimlilik elde edilmiştir. Geleneksel bir silikon güneş pili ile birleştirildiğinde tandem cihaz %28,3 verime ulaşmıştır (silikon hücre:%23,3). 

Priya: “Verimlilikteki %5 oranında iyileşme gerçekten güzel bir sonuçtur. Bu durum, her metrekare güneş pili malzemesi için yaklaşık 50 watt daha fazla güneş ışığını elektrik enerjisine döndürdüğümüz anlamına gelir. Güneş çiftlikleri binlerce modülden oluşabilir, bu da daha fazla elektrik enerjisi anlamına gelir ve bu çok büyük bir gelişimdir.” şeklinde açıklamada bulunmuştur³. 

Kaynaklar

1. Vitos, L., Ruban, A. V., Skriver, H. L., & Kollár, J. (1998). The surface energy of metals. Surface Science, 411(1–2), 186–202. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(98)00363-X
2. Yang, D., Zhang, X., Hou, Y., Wang, K., Ye, T., Yoon, J., Wu, C., Sanghadasa, M., Liu, S. (Frank), & Priya, S. (2021). 28.3%-Efficiency Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell By Optimal Transparent Electrode for High Efficient Semitransparent Top Cell. Nano Energy, 84(November 2020), 105934. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105934
3. https://techxplore.com/news/2021-05-scientists-transparent-electrode-boosts-solar.html