Güneş pili en basit anlamda güneşten gelen elektromanyetik radyasyon enerjisini elektrik enerjisine çeviren bir aygıt olarak tanımlanabilir. Düşük ve yüksek voltajlı birçok uygulama için farklı güneş pilleri elektrik ihtiyacı bulunan her alanda kullanılabilme özelliğinde olmuştur. Güneş pillerinde yarı iletkenlerin fotovoltaik etki özelliğini kullanarak güneş ışığından elektrik enerjisi üretilir. İsveç’te Lund Üniversitesi’ndeki fizik araştırmacıları, güneş pillerine nazaran güneş spektrumu için daha iyi eşleşen küçük güneş radyasyonu toplayan yapıda antenler üretmeyi başarmışlardır. Nanoteller, az malzeme sarfiyatı ve düşük maliyetli olması ile ön plana çıkmaktadırlar. Bunun yanında hafif olduklarından uydular üzerindeki testlerde kullanılmaya başlanmıştır.
Lund Üniversitesi’nde güneş pilleri üzerinde çalışan bir grup nanomühendislik araştırmacıları, geçen yıl üç farklı bant aralığına sahip fotovoltaik nanoteller inşa etmeyi başararak büyük bir atılım yapmıştır. Alınan sonuçlar Materials Today Energy ve Nano Research dergilerinde daha ayrıntılı olarak yayınlanmıştır.
Katı hal fiziği profesörü Magnus Borgström “En büyük zorluk, akımı malzemeler arasında aktarabilmekti. On yıldan fazla sürdü ancak sonunda işe yaradı.” demiştir. Dünya çapında nanotel güneş pilleri üzerinde yaklaşık on araştırma ekibi çalışmalar yapmaktadır. Borgström “Zorluk, güneş pillerindeki farklı bant boşluklarını birleştirmekti ve bunu sonunda başardık.” demiştir.
Gelecekte silikon tabanlı güneş pillerine alternatifler
Tandem (kademeli, ardıl) güneş pilleri olarak bilinen farklı bant aralıklarına sahip güneş pilleri, şimdiye kadar ağırlıklı olarak uydular üzerinde bulunmakta ve yoğun araştırmalara konu olmuştur. Araştırmanın amacı, verimliliği önemli ölçüde artırmak ve bugünün ticari silikon güneş pillerinin verimini iki katına çıkarmak olmuştur. Borgström, “Silikon güneş pilleri kısa sürede maksimum verimlilik sınırına ulaştı. Bu nedenle odak nokta, bunun yerine tandem güneş pilleri geliştirmeye kaydı. Uydulara takılan değişkenler, bir çatıya koymak için çok pahalı.” demiştir. Tandem güneş pillerini oluşturmanın en kolay yolu güneş spektrumunun farklı kısımlarını emebilen farklı yarı iletken malzemeleri üst üste (ardıl, peşi sıra) sentezlemekle oluşmuştur. Silikon bazlı tandem güneş pilleri çok fazla ilgi çekmiştir. Silikon bazlı tandem güneş pilleri silikonun üzerine diğer ışığı yakalayan malzemeden ince yarı saydam filmlerin döşenmesini içermektedir.
Lund’daki araştırmacılar farklı bir bakış açısıyla ilerlemiştir. Bir substrat üzerine son derece ince yarı iletken malzeme çubukları oluşturdukları bir yöntem geliştirmişlerdir. Buradaki kazanım, üretim maliyetlerini azaltabilecek ve daha sürdürülebilir bir alternatif haline gelebilecek birim alan başına az miktarda malzeme olmuştur.
Nanometre kalınlığındaki çubuklar, farklı miktarlarda indiyum, arsenik, galyum ve fosfor içeren üç malzemeden oluşmuştur. Araştırmacılar şu ana kadar laboratuvarda %16,7‘lik bir verimlilik elde etmişlerdir. Araştırmacı Yang Chen nanotel güneş pillerinin mevcut yapıyı kullanarak %47 verimliliğe ulaşma potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir. Daha yüksek verimlilik elde etmek için daha fazla sayıda bant aralığı gerektiğini söylemiştir. Sonrasında kendisi ve araştırmacılar, yapıdaki farklı malzemeleri birbirine bağlayan tünel bağlantılarını iyileştirerek ve nano ölçekte çok önemli olan nanotellerin yüzeyinin etkisini azaltmaya çalışarak üçlü diyotları optimize etmeye çalışmışlardır.
“Bir nanotel tabakası çok seyrek bir çivi yatağına benzetilebilir. Arada sırada olan bazı agresif protonlar ortaya çıksa, muhtemelen tellerin arasına düşerler ve bazı telleri devre dışı bırakırsa bile çokta önemli olmaz. Normal bir ince film üzerine düşerlerse hasar daha kötü olabilir.”
Nanotel güneş pilleri uzayda test ediliyor
Nanotel güneş pillerinin yakın zamanda Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’ndeki (Caltech) araştırmacıların yakın iş birliğiyle 2023 Ocak ayında uzaya gönderilen bir araştırma uydusuna takılmasına yol açmıştır.
“Dijital iletişimimizin çoğu, güneş pilleri tarafından desteklenen uydular tarafından kontrol ediliyor. Uydular, GPS, TV yayınları, veri trafiği, cep telefonu görüşmeleri ve hava durumu verilerini iletir.”
Borgström, tandem güneş pillerinin de uzun vadede Dünya’da yer alacağını ancak başlangıçta silikonsuz güneş pillerinin giysi, pencere ve dekor gibi yerlerde kullanılacağını düşünmüştür. Uydu 2023’ün bahar aylarında yörüngede olacak ve sonuçlar sürekli olarak alınarak çalışmalar daha da ileriye taşınabilecektir.
Kaynaklar
- Hrachowina, L., Barrigón, E. & Borgström, M.T. Development and characterization of photovoltaic tandem-junction nanowires using electron-beam-induced current measurements. Nano Res. 15, 8510–8515 (2022). https://doi.org/10.1007/s12274-022-4469-1
- Lukas Hrachowina, vd., Realization of axially defined GaInP/InP/InAsP triple-junction photovoltaic nanowires for high-performance solar cells, Materials Today Energy, Volume 27, 2022, 101050, ISSN 2468-6069, https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101050.