Fotovoltaikler, gelecekteki temiz enerji arzında kilit bir rol oynayacaktır. İyi bilinen yarı iletken bir malzeme olan silikon tabanlı geleneksel güneş pilleri halihazırda oldukça gelişmiştir ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, yüksek sıcaklıklarda yüksek vakum gerektirdiğinden üretimleri karmaşık ve enerji maliyetlidir. Üretimleri için kullanılan enerjinin karşılanması için beş yıla kadar çalışmaları gerekir1.
Organik yarı iletkenlere dayalı güneş pil (OGP) leri, enerji ve maliyet tasarrufu sağlayarak bir fark yaratabilir. Bununla birlikte, daha ayrıntılı olarak incelenmesi gereken fotovoltaiklerde enerji dönüşümü için farklı sınırlamalar vardır. Chemnitz Teknoloji Üniversitesi’nden Christopher Wöpke ve ekibi organik güneş pillerinin güç sınırlaması için hangi ana faktörlerin belirleyici olduğunu araştırdılar ve özellikle taşıma direncinin OGP lerin performansını ciddi şekilde sınırlandırdığını buldular.
Yüksek verimde üretime izin veren daha fazla performanslı güneş pillerinin geliştirilmesi için bu sonuçların önemi, özellikle enerji geçişi bağlamında belirgindir. Organik yarı iletkenler, silikon muadillerinden farklı olarak, baskı işlemleri kullanılarak oda sıcaklığında zaten üretilebildiklerinden, karşılaştırılabilir derecelerde fotovoltaik dönüşüm verimliliği ile üretimleri için önemli ölçüde daha az enerji gerektirirler. Ayrıca, yeni organik güneş pilleri laboratuvar koşullarında %20′lik bir verime yaklaşıyor ve bu onları giderek daha rekabetçi bir hale getiriyor.
Taşıma direncinin kritik önemi kanıtlandı
Güneş pillerindeki organik yarı iletkenler güneşten gelen elektromanyetik dalgaları çok iyi yakalayabilir, güneşin enerjisini verimli bir şekilde elektrik enerjisine dönüştürebilir ve çok iyi bir enerji dengesine sahip olabilir. Bununla birlikte, güneş pillerindeki iletkenlik ve verimliliği geliştirebilmek için bu malzemelerdeki yük taşıyıcılarının hareketliliğini artırmak hala önemli bir teknolojik görevdir. Bu zorluğun aşılması için rekombinasyon gerçekleşmeden önce yavaş yük taşıyıcılarının organik güneş pilinden çıkarılması gerekmektedir. Güneş enerjisini verimli kullanılabilmesinin tek yolu budur.
Organik güneş pilleri için bir başka zorluk, maksimum güç noktasında fotovoltaj kaybıdır. Bunun nedeni yavaş hareket eden yük taşıyıcılarıdır. Organik güneş pilleri yaşlandıkça bu kayıp daha belirgin hale gelir ve bu da verimliliği olumsuz etkiler. Bu kayıp mekanizmasını, yani taşıma direncinden kaynaklanan voltaj kaybını anlamanın önemi Chemnitz Üniversitesi araştırmacıları tarafından ortaya koyulmuştur2.
Organik malzemenin yaşlanması nedeniyle daha fazla kusur
Fulleren olmayan alıcılar olarak adlandırılan bir polimer ve molekül karışımından oluşan verimli organik güneş pilleri, farklı hızlandırılmış yollarla yaşlandırıldı. Katılan bilim adamları, bu fotovoltaik cihazları tamamlayıcı yöntemler kullanarak araştırdı.
Prof. Dr. Carsten Deibel, “Yüksek sıcaklıklarda termal olarak hızlandırılmış yaşlandırma için, soğurucu malzemenin ve arayüzlerin özelliklerinin dikkate değer ölçüde sabit kaldığını gösterebildik” diyor. Soğurucu malzeme, ışığı soğuran katmandır. Arayüz, iki yarı iletkenin elektrotlara temas ettiği tüm alanları tanımlar.
Dr. Deibel, bir istisnanın, ekibin gözlemleyebildiği fotoaktif tabakanın nano yapısındaki değişiklikler nedeniyle yaşlanmayla ilgili kusur durumlarının oluşumu olduğunu söyledi. Araştırma grubu, hızlandırılmış termal bozulma nedeniyle doldurma faktöründeki düşüşün ana nedeninin taşıma direncindeki ilişkili artışın olduğunu buldu. Doldurma faktörü, bir güneş pilinin performansını belirlemek için kullanılan üç faktörden biridir. Yaşlanma nedeniyle oluşan daha düşük doldurma faktörü pilin enerji dönüşüm verimliliğini azaltır.
Wöpke, “Soğurucu katmandaki değişiklikler ile elektrotların arayüzü arasındaki ve ayrıca rekombinasyon ve taşıma direnci arasındaki farkı ayırt etmek için kapsamlı tamamlayıcı yöntemlere ihtiyacımız vardı. Bu nedenle, tüm ekiplerin multidisipliner uzmanlığı paha biçilmezdi,” diye vurguluyor.
Dr. Deibel, “Çalışmamızın temel bulgularından biri, taşıma direncinin modern organik güneş pillerinde ele alınması gereken baskın bir performans sınırlayıcı mekanizma olmasıdır” diye ekliyor. “Yeni işlenmiş fotovoltaik cihazlar bile, tuzak oluşumunun hafif bir şekilde bastırılmasıyla bile üstesinden gelinebilecek bu kaybı gösteriyor.”
Gelecekteki çalışmalar, organik güneş pillerinde tuzak oluşumunu azaltmanın ve iletkenliği artırmanın yollarını keşfedecektir.
Dr. Zekeriya Doğruyol
Kaynaklar
- https://techxplore.com/news/2022-07-energy-output-power-loss-solar.html
- Wöpke, C., Göhler, C., Saladina, M. et al. Traps and transport resistance are the next frontiers for stable non-fullerene acceptor solar cells. Nat Commun 13, 3786 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31326-z