Tüylü Güneş Panelleri >> Mikroskobik tüyler içeren yeni organik güneş hücreleri ışıktan elektrik üretimini arttırıyor

Massachusetts Amherst, Stanford ve Dresden Teknoloji Üniversitesi, güneş ışığından elektrik üretiminde verimliliği arttıran yeni bir 3B güneş paneli teknolojisi geliştirdi. Nanometre ölçeğindeki mikroskobik tüyler güneş panelinin ışığı oluşturan fotonlarla etkileşim alanını büyüterek elektrik üretimini arttırıyor.

Üç boyutlu mikroskobik kristal sütunlardan oluşan nano tüyler, avuç içi büyüklüğündeki bir güneş panelinin bile yüzey alanını büyük ölçüde arttırarak güneş hücrelerinin ışıktan daha fazla elektrik üretmesini sağlıyor. Üç boyutlu kristaller yakın gelecekte optik kuantum bilgisayarlar için fotonik kristal üretiminde de kullanılacak.

 

 

Güneş hasadı

Güneş panellerinde küçük karolar halinde görebileceğimiz güneş hücreleri p tipi ile n tipi olarak adlandırılan ve kimyasal bileşimi birbirinden farklı olan iki ayrı yarı iletken katmanından üretiliyor. İki katman bir araya geldiği zaman “p-n eklemi” olarak adlandırılan bir elektrik devresi oluşturuyor.

P-n eklemi güneş hücresinin içinde belirli bir yönde akan elektrik yükü ve voltaj oluşturuyor. Bu bağlamda Güç (Watt) = Akım (Amper) x Gerilim (Volt) formülüyle tanımlanıyor.

 

 

Enerji tasarrufu

Bilim adamları uzun yıllar boyunca güneş panellerinin verimliliğini arttırmaya ve böylece ışıktan daha fazla elektrik üretmeye çalıştılar. Bunun sebebi ekonominin kömürle petrol gibi fosil yakıtlara bağımlılığını azaltmak ve herkesin kendi bahçesi veya çatısında elektrik üretebildiği dağıtık bir ekonomi kurmaktı.

Ancak, güneş ışığından elektrik üreten sistemlerin verimliliği oldukça düşük. Bunun bir çözümü daha büyük güneş panelleri kullanmak olabilir. Öte yandan, 120 metrekarelik bir konut için 22 araçlık park alanı kadar büyük bir güneş paneli kullanmak pratik değildi (emlak vergisi, bakım- onarım harcamaları vb.). Aynı sebeple güneş kolektörleri de yeterince ucuz bir alternatif sunmuyor.

 

 

Temiz enerji

Ekonomik engeli yeni teknolojilerle aşmaya çalışan bilim adamları, sonunda güneş panellerinin yüzey alanını iki boyutlu değil de üç boyutlu olarak büyütmeye karar verdiler. Bunun bir yolu da güneş hücrelerinin yüzeyinde tüylü halıyı andıran mikroskobik kıllar üretmekti.

Araştırmacılar bunun için metrenin milyarda biri boyundaki kristallerden oluşan mikroskobik sütun “büyütme” teknikleri geliştirdi ve nihayet yüksek verimlilikli organik güneş panelleri üretmeyi başardı.

 

 

Organik teknoloji

Bilim adamları daha etkili bir p-n eklem mimarisi için p tipi veya n tipi yarı iletkenlerden üretilen nano sütunlar kullanabileceklerini düşündüler. Bu sütunların da karşıt yarı iletkenden üretilen bir alt katmanın içinde “büyümesi” gerekiyordu (nano tüyler p tipi yarı iletkeni kullanıyorsa, alt katman n tipi olmalıydı).

Sütun büyütme tekniğiyle üretilen 3B organik güneş hücreleri ışığı yansıtarak ziyan etmeden yakalamayı iyi beceriyor, bu da daha fazla elektrik yükü toplamaya imkan veriyor. Ucuz yarı iletkenlerin 3B olarak üretilmesi (nano tüyler) güneş hücresi üretim maliyetlerini azaltıyor ve güneş panellerinin rekabet gücünü arttırıyor.

Aslında fizikçiler nano tüy teknolojisini önce inorganik güneş hücreleri için geliştirdiler. Ancak, bu teknolojiyi daha esnek ve kullanışlı olan organik güneş hücrelerine uygulamak zordu. Sonunda Massachusetts Amherst Üniversitesi’nden Profesör Alejandro Briseno ve ekibi zoru başardı.

 

 

Tüyünü büyütmeyin şunun

Kasıntı insanları eleştirmek için kullanılan bu deyim güneş hücresi teknolojisi için pek geçerli değil. Güneş enerjisinde verimliliği arttırmak için gerçekten de güneş panellerinin “tüyünü büyütmek” gerekiyor.

Organik sistemler için geliştirilen yeni teknikte, araştırmacılar tüylerin büyütüleceği yarı iletken katman ile grafenden (tek atom kalınlığında saf karbon tabakası) üretilen alt katmanı, sıcaklığı ayarlanabilen özel bir fırına yerleştirdiler. Üretim kusurlarını önlemek için de fırının içindeki havayı boşalttılar.

 

 

Hassas bir proses

Fırını önce düşük sıcaklıkta çalıştıran bilim adamları süper ince bir film tabakası oluşturdu. Ardından sıcaklığı aşamalı olarak artırarak yarı iletken katmanların tavla pulu gibi üst üste dizilmesini ve mini sütunlar oluşturmasını sağladılar. Araştırmacılar sütün oluşumunu kolaylaştırmak için yarı iletken materyali grafenin içine nokta nokta dizdi (çizime bakınız).

Materyal bilimciler bu sürecin birçok üretim tekniğine uyarlanabileceğini söylüyor. Örneğin bu teknikle farklı p tipi ve n tipi organik yarı iletkenler imal edilebileceği gibi grafen, çinko oksit ve bakır iyodür gibi standart alt katman materyalleri de üretilebiliyor.

 

 

Çığır açan teknoloji

Briseno konuyla ilgili açıklamasında güneş panellerinin geleceğinden umutlu olduğunu söylüyor: “Bilim adamları organik güneş hücrelerindeki p-n eklemli arayüzlerin formunu kontrol etmek için uzun yıllardır büyük çaba harcıyor. Bu gelişme de organik güneş hücreleri için büyük bir ilerleme olarak kabul edilmeli, çünkü ışığı yakalayarak elektriğe dönüştürme alanında önemli bir adım atmış bulunuyoruz.”

Araştırmacılar ürettikleri nano tüylü yapıları organik güneş panellerinde test ettiler ve aynı materyalden üretilen tümüyle yassı geleneksel panellere göre verimliliği yüzde 32 oranında arttırdılar. Bu da güneş ışığının yüzde 2,9’unu elektriğe çevirebildikleri anlamına geliyor.

Ancak, Antalya gibi yılın büyük kısmında bol güneş alan illerdeki konvansiyonel güneş panellerinin verimliliğinin yaklaşık yüzde 15 düzeyinde olduğu düşünüldüğünde, alternatif materyallerden üretilen organik güneş panellerinin daha çok yol kat etmesi gerektiği anlaşılıyor.

 

 

Güneş ışığıyla şarj olan telefonlar

Briseno bu basit ve ucuz tekniğin mobil cihazlar, oyuncaklar ve özellikle de kısa ömürlü kullan–at cihazlar için yararlı olacağını söylüyor (örneğin nesnelerin interneti için akıllı etiketler, güneş ışığıyla şarj olan telefonlar ve kalem piller).

Nano kristaller ile yüksek verimlilikli 3B transistorlar, ışık detektörleri (odada biri varsa otomatik olarak yanan lambalarda olduğu gibi) ve enerji depolama cihazları (pil, batarya, aküler) geliştirmek mümkün. Enerji üretiminde minyatürleşme ve mobiliteyi arttıran bu teknolojinin akıllı ev sistemlerinde kullanılması kaçınılmaz görünüyor.

 

 

Optik bilgisayarlar

Nano kristal teknolojisinin 10 yıl içinde elektrik yerine ışıkla çalışan optik bilgisayarlar ve kuantum bilgisayarlar için fotonik kristal üretmekte kullanılması planlanıyor. Optik kristallerin yaygınlaşmasıyla birlikte, bugün olduğu gibi masa boyunda hassas lazer sistemleri kullanmak yerine basit oyuncak lazerleriyle çalışan mini optik bilgisayarlar geliştirilecek.

Teknolojinin nereye gittiğini merak edenler Stargate SG-1 dizisindeki Goa’uld uzay gemilerinin optik bilgisayar kristallerine de göz atabilirler (gerçek hayattaki çözümler dizideki kadar kaba tasarımlar olmasa da bize gelecek hakkında fikir veriyor 🙂 ).

Kabarık elektrik faturalarını güneş enerjisiyle önlemek bir yana, küresel ısınma kaynaklı iklim değişikliğine bağlı altıncı toplu soy tükenişi önlemek için bizi fosil yakıtlardan kurtaracak tüm teknolojilere dört elle sarılmak gerekiyor. Nano tüylü 3B organik kristallerden yararlanan yeni güneş hücreleri esnek tasarımıyla bu konuda gelecek vaat ediyor.