Fotovoltaik (PV) hücreler güneş ışınları tarafından yayılan ışınları absorbe eden ve fotonların çarpmasıyla elektrik akımı oluşturan yarı iletken malzemelerden oluşmaktadır. Aynalar ve merceklerle fotonların hücrelere ulaşmasını kolaylaştıran geleneksel yöntemler uygulanmış olsa da yetersiz kalmıştır. Alternatif olarak görülen modern gelişmeler sayesinde hem dağınık ışığı toplamak hem de güneş ışınlarını yoğunlaştırmak için 20 yy’ın sonlarına doğru keşfedilmiş lüminesans güneş yoğunlaştırıcısı (LSC) ile daha fazla sayıda yakalanan fotonların hücrelerde elektronları uyarmasıyla elektrik üretilmesi daha verimli hale gelmiştir.1
LSC’lerin genel prensibi; lüminesan malzemeleri kullanarak güneş ışınlarını daha geniş bir spektrumda almak ve yayılım sırasında ise istenen dar frekans aralığında fotovoltaik hücrelere aktarma durumudur. LSC sistemi daha geniş alanlara entegre edilmek istendiğinde genel veya optik verimlilik (emilen ışık ve yayılım arasındaki oran) yeterli olmamaktadır. Daha detaylı olarak incelendiğinde; LSC‘nin yakaladığı ışınların yani belirli bir frekansı olan fotolüminesan (PL; PV hücrelerine LSC’nin modifiye edilmiş hali) fotonların, söz konusu hücreler tarafından emilimi istenilen değerleri henüz ulaşamamıştır.
Bilim insanları sorunun PL’nin yakaladığı fotonların elektriğe dönüştürmek için aktarma işleminin yeterli olmadığı noktasında birleşmiş ve yaprak modelini taklit ederek yeni bir alternatif geliştirmişlerdir. Yaprak yapısının dallanmış bir biçimde olması ışığın küçük birimlere ayrılması diğer bir deyişle paylaştırılması PV’nin daha küçük bir frekans aralığında aktif olması olup gereken enerjiyi daha kolay elde edebilecekleri anlamına gelir. Aynı zamanda fiber kavramı da çözümün önemli bir parçasıdır çünkü enerjiye ulaşmak önemli olduğu kadar kayıp miktarının en aza indirgenmesi de bir o kadar önemlidir. O halde plakalar arasında bir sağlam bağlantı olması gerekir ki elde edilen bütün fotonlar bir ışık kılavuzuna net olarak iletilmiş olsun. Küçük alan kaplayan LSC’leri fiberler ile optik olarak bağlayarak seçilmiş yalıtkan malzeme boyunca ışığın çarparak ilerlemesini sağlar. Bu sayede kayıp yaşanmadan ve hızlı bir şekilde istenilen bölgeye nakledilmesi ışık nakledilmiş olur.
Bahsi geçen yaprak modeli yöntemi orta bölümde ve bu bölümün etrafında lüminesan plakaların yerleştirilmesi şeklinde oluşturulmuştur (Şekil 1). Fotonların plakalar aracılığıyla PL fotonlarına evrilmesinin akabinde merkezi lüminesan fiber aracılığı ile binlerce foton fiber ağı ile PV tarafına gönderilir. Yaprak yüzeyine dağılmış yaprak damarlarının, diğer damarlara nispeten daha kalın olan merkezi damara bağlanması ile yansımadan kaynaklı foton kayıpları önlenmiş olur.
Aslında modern tasarım geniş perspektifte incelendiğinde ölçeklenebilirlik sorununu da ele alır. Çünkü birçok lüminesans parça yaprağın dış görünüşündeki gibi farklı noktalara konumlandırılarak hem daha fazla foton elde edilmiş hem de çekilen fotonların tamamının emilmesinin yerine farklı pozisyonlarda bulunan lüminesan parçacıklarıyla fotonların emilimi basitleşmiştir. Her parçanın ayrı değerlendirilmesine olanak tanınmıştır.
Birçok yöntemin bir arada olduğu bu düşünce tarzı boyutsal olarak da yeni gelişmelere imza atmıştır. LSC’nin kenar uzunluklarının 50 mm’den 10 mm’ye düşürülmesi, dış kenarlara aynalar takılması; foton toplama işleminin verimliliğini yükseltmiştir. Bu sistemde her bir parça ayrı olduğu için hasarlı bölgelerde daha pratik bir şekilde tespit edilebilir. Tüm bu avantajlarla bir yaprak modülüne düşürülmesi istenen foton miktarının çıtası yükselmiştir. Arzu edilen zirvelere ulaşmak için reflektör (üzerine düşen bütün ışınları ışık kaynağına geri yansıtır) denilen bazı teknikler geliştirilmeye çalışılmıştır.2
Uygulanan yeni teknikler, foton toplamayı maksimum değerlerde tutulmasının; ölçeklenebilir ve daha esnek olarak faydalanmanın yollarını sunar. Geniş kullanım yelpazesine sahip olan güneş yoğunlaştırıcıları teknolojinin ilerlemesi güneş enerjisinden daha fazla yararlanmanın iyi bir alternatifini sunuyor.
Kaynaklar