Amidinyum ile Perovskit Güneş Hücrelerinin Gerçek Dünya Uygulanabilirliğini Artırma

En İyi Güneş Teknolojisini Dayanıklı Hale Getirme

Güneş panellerinin çoğu kristal silisyuma dayanır; kadmiyum tellür ince film teknolojisi de önemli bir seçenektir. Başka bir yaklaşım, perovskit kristal yapısına sahip malzemeler kullanır.

Perovskit adı, kalsiyum titanyum oksit mineralinden gelir. Ancak yüksek verimli güneş hücrelerinde kullanılan perovskitler genellikle farklı bileşimdeki metal halojenürlerdir. 2009’da laboratuvar hücrelerinin ışığı elektriğe dönüştürme verimi yalnızca %3,8 düzeyindeyken, silisyum-perovskit tandem hücreleri önemli ilerleme kaydetti. Kasım 2023’te %33,9 verim bildiren şirket  LONGi Green Energy Technology.

Perovskit güneş hücrelerinin başlıca sorunlarından biri dayanıklılıktır. Isı, nem ve diğer çevresel etkiler performansı düşürebilir. Laboratuvar verimindeki ilerlemenin ticari değere dönüşmesi için uzun süreli saha güvenilirliği de gösterilmelidir.

Silisyum panellerin 20–30 yıllık kullanım ömrüyle rekabet edebilecek dayanıklılık sağlanamazsa perovskitlerin yaygınlaşması sınırlı kalabilir. Bu sorun, başlamış olan “yeni güneş çağı” içindeki rollerini etkileyebilir.

Bu nedenle kontrollü testlerde kararlılığı yaklaşık üç kat artıran bir kaplama önem taşıyor. Northwestern Üniversitesi, Griffith Üniversitesi ve Toronto Üniversitesi araştırmacıları sonuçlarını Science dergisinde şu başlıkla yayımladı: “Ligandların amidinasyonu, kimyasal ve alan etkili pasivasyon yoluyla perovskit güneş hücrelerini kararlı hale getiriyor¹.”

Perovskitlerin Avantajları

Perovskitlerin başlıca avantajları, düşük sıcaklıkta çözelti işleme ve baskıya uygun üretim potansiyelidir. Bu, silisyum üretiminin bazı yüksek sıcaklıklı adımlarına göre maliyet avantajı sağlayabilir. Ancak her üretim aşamasının oda sıcaklığında yapıldığı veya maliyetin mutlaka düşük olacağı anlamına gelmez.

Esnek altlıklar üzerindeki perovskit hücreler, araç tavanları ve insansız hava araçları gibi uygulamalara uygun olabilir. Malzemenin ışık soğurma özellikleri ve tandem tasarımlar daha yüksek verim potansiyeli sunar. %40 düzeyindeki teorik değerler belirli tandem mimarilere aittir; bütün perovskit hücreleri için geçerli değildir.

Fotovoltaik perovskitlerde kullanılan bileşim, doğal kalsiyum titanyum oksitten farklıdır; bu nedenle titanyumun bolluğu tek başına maliyet veya çevresel avantaj göstermez. Özellikle kurşun içeren hücrelerde sızıntının önlenmesi ve kullanım sonu yönetimi ele alınmalıdır.

Kaynak: Research Gate

LONGi’nin geliştirdiği gibi silisyum-perovskit tandem hücreleri, yalnızca perovskite dayalı tasarımlara bir alternatiftir.

Perovskitleri Bozulmadan Koruma

Verimi artırmak için perovskit yüzeylerinde amonyum esaslı pasivasyon katmanları kullanılabilir. Ancak bazı ligandlar ısı ve nem altında bozunarak koruyucu etkinin azalmasına yol açar.

Kaynak: Frontiers

Bu durum, yağmur ve sıcak yaz günleri gibi gerçek kullanım koşullarında çalışması gereken güneş panelleri için sorun oluşturur.

Araştırmacılar, azot içeren farklı bir bileşik grubuna yöneldi: amidinlerden oluşan amidinyum iyonları.

Kaynak: Wikipedia

Perovskitin kendisini daha kararlı hale getirmeye odaklanan yaklaşımların yanında bu çalışma, yüzeydeki pasivasyon katmanlarını iyileştiriyor.

Radikal İyileşme

Yeni yaklaşım, yüzey kaplamasının bozunmaya direncini artırdı ve incelenen güneş hücrelerinin test koşullarındaki kararlılığını iyileştirdi.

Araştırmacıların bildirdiğine göre yeni kaplama, geleneksel amonyum esaslı kaplamalara kıyasla bozunmaya yaklaşık on kat daha dayanıklıydı. Amidinyum kaplı hücrelerde T₉₀ ömrü de yaklaşık üç kat arttı. T90, zorlu test koşullarında verimin başlangıç değerinin %90’ına düşmesine kadar geçen süredir; verimin %90 kaybolması anlamına gelmez.

Bin Chen — Northwestern’de kimya araştırma doçenti

Önceki Yeniliklerin Üzerine İnşa Etmek

Bu, araştırma ekibinin ilk ilerlemesi değil.

Ortak yazarlardan Ted Sargent’ın ekibi, 2022’de yüksek verim ve gerilim sağlayan bir perovskit hücre geliştirdi.

Ekip 2023’te ters yapılı bir perovskit hücreyle verimi artırdı. Ayrıca perovskit filmlerdeki kusurları azaltmak ve performansı iyileştirmek için sıvı kristaller kullandı.

Çalışma akademik kurumların yanı sıra First Solar (FSLR ) ile ABD Ticaret Bakanlığı, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü ve Enerji Bakanlığı gibi kuruluşların desteğini aldı.

Güneş Enerjisine Yatırım

Güneş enerjisi üretimi hızla büyüyor ve ekonominin karbonsuzlaştırılmasına katkı sağlıyor. Bununla birlikte dünya elektrik üretiminin ve özellikle toplam enerji kullanımının büyük bir bölümü hâlâ fosil yakıtlara dayanıyor.

Sektörde yoğun rekabet ve ölçek ekonomileri, büyük üreticilere avantaj sağlayabilir. Yeni teknolojiler ise mevcut silisyum panel üreticilerinin konumunu değiştirebilir.

Güneş enerjisi şirketlerine çeşitli aracı kurumlar üzerinden yatırım yapılabilir. securities.io üzerinde aracı kurum incelemelerini şu ülkeler için bulabilirsiniz: ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık, diğer birçok ülke.

Tek tek şirket seçmek yerine sektörel fonlar da incelenebilir. Makalede verilen örnekler arasında Global X Solar ETF (RAYS), Invesco Solar ETF (TAN) veya Global X China Clean Energy ETF (2809.HK) bulunur. Fonlar birden fazla şirkete yatırım yapmayı sağlasa da sektör ve piyasa riskini ortadan kaldırmaz; güncel işlem durumu ve fon belgeleri kontrol edilmelidir.

Ayrıca “Yatırım Yapılacak En İyi 10 Güneş Enerjisi Hissesi”.

Güneş Şirketi

First Solar, ABD merkezli büyük bir güneş paneli üreticisidir. Makalede ABD, Malezya ve Vietnam’daki üretim tesisleri belirtiliyor.

Şirket, klasik kristal silisyum yerine kendine ait ince film fotovoltaik teknolojisini kullanır. Kadmiyum tellüre dayalı bu panellerin maliyet ve performansı ürün ve kullanım koşullarına göre değişir; bütün silisyum panellerden daha verimli oldukları söylenemez. Makalede, 30 yıl sonunda başlangıç performansının %89’unu korumaya ilişkin bir ürün değeri aktarılıyor.

Kaynak: First Solar

Kadmiyum ve tellür başka metallerin üretiminde yan ürün olarak elde edilebilir. Bu durum kaynak kullanımına katkı sağlasa da çevresel etkinin önemsiz olduğu anlamına gelmez. İnce film panellerin geri dönüştürülmesi de mümkündür.

First Solar’ın teknolojisi ve üretim konumu, Batılı ülkelerin Çin dışından panel tedarik etme çabalarından faydalanmasına yardımcı olabilir.

Şirket, makalede aktarılan planına göre nominal üretim kapasitesini 11 GW’tan 2026’ya kadar 25 GW’a çıkarmayı hedefliyordu. Bunlar gerçekleşmiş sonuçlar değil, dönemsel kapasite ve hedef değerleridir.

Bu araştırmaya verdiği destek, şirketin perovskit teknolojisine ilgisini gösteriyor. Yatırımcı sunumunda, 2024’ün dördüncü çeyreğinde “üretim koşullarını taklit eden teknoloji örnekleri hazırlayabilecek bir geliştirme hattı” planından söz edildi.

Makaleye göre First Solar, kuruluşundan bu yana araştırma ve geliştirmeye toplam 2 milyar dolar harcadı.

First Solar, Çin ithalatına uygulanan vergilerden faydalanabilir. Ancak bunun Trump’ın yeniden seçilmesinin güneş enerjisi sektörüne olası diğer etkilerini ne ölçüde dengeleyeceği belirsizdir.

Şirketin silisyum dışı panel üretimi deneyimi ve araştırma bağlantıları, perovskit geliştirme çalışmalarına katkı sağlayabilir. Ticari başarı ise dayanıklılık, maliyet ve üretim ölçeği gibi koşullara bağlıdır.

Çalışma Referansı:

^{1. Yang, Y., et al. (2024). Amidination of ligands for chemical and field-effect passivation stabilizes perovskite solar cells. Science, 386(898–902). https://doi.org/10.1126/science.adr2091}