Çok ince güneş enerjisi hücreleri seri üretilebilir ve her şeyi tamamen değiştirebilir

Çok ince güneş enerjisi hücreleri seri üretilebilir ve her şeyi tamamen değiştirebilir

Ultra ince güneş pillerinde son zamanlarda yapılan bir dizi laboratuvar çalışması, araştırmacıların üretim ve dayanıklılık engellerini aşmaları halinde, hafif ve esnek fotovoltaik cihazların niş prototiplerin ötesine geçebileceğini gösteriyor. Perovskit malzemeler ve yeni alt tabaka mühendisliği ile çalışan araştırmacılar, hücre kalınlığını tek haneli mikrometrelerde tutarken %22'nin üzerinde verimlilik bildirdiler ve sert cam panellerin asla ulaşamayacağı yüzeylerde güneş enerjisine kapı açtılar. Asıl soru, bu laboratuvar sonuçlarının fabrika ortamlarına ve dış hava koşullarına dayanıp dayanamayacağıdır ve cevap, verimlilik rakamlarının tek başına gösterdiğinden daha karmaşıktır.

Ne Kadar İnce Yeterince İnce?

"İnce" kelimesi, birkaç araştırma ekibinin başardıklarını zar zor ifade ediyor. Bir grup, yaklaşık olarak insan saçının genişliğinin ellide biri kadar olan, sadece 1 ila 3 mikrometre kalınlığında renksiz poliimid filmler üzerine perovskit tek bağlantılı hücreler inşa etti. Bu cihazlar, son nanoenerji deneylerinde açıklandığı üzere, %22,13'lük bir güç dönüşüm verimliliği ve 50 W/g'lık özgül güç yoğunluğu sağladı; bu da her bir gram hücre malzemesinin standart test koşulları altında 50 watt ürettiği anlamına geliyor. Drone'lar, uydular veya taşınabilir elektronik cihazlar gibi ağırlığa duyarlı uygulamalar için bu oran, ham verimlilikten çok daha önemlidir. Üretim yöntemi, PDMS taşıyıcı üzerine renksiz poliimid oluşturmayı ve ardından bitmiş hücreyi ayırmayı içerir; mühendislik detayları ölçeklendirilebilirse, bu işlem rulo-rulo üretimle uyumlu olabilir.

Ayrı bir çalışma ise aşırı inceliğe farklı bir yoldan ulaştı. Araştırmacılar, yalnızca polimer alt tabakalara güvenmek yerine, toplamda yaklaşık 30 mikrometre ölçülerinde esnek monolitik bir perovskit/silikon tandem hücre geliştirdiler. Esnek tandem araştırmalarında açıklandığı gibi, bu mimari, cihazın çatlamadan bükülebilir kalmasını sağlamak için daha ince bir silikon levhayı, değiştirilmiş ışık yakalama dokularını ve nötr düzlem kaydırma stratejisini kullanır. Silikonun kanıtlanmış güvenilirliğini, perovskitin ayarlanabilir bant aralığıyla birleştirerek, mutfak folyosundan daha ince bir pakette sunmak, kavisli bina cephelerine, araç çatılarına veya aerodinamik ve ağırlığın kritik olduğu uçak ve yüksek irtifa platformlarının dış yüzeylerine uyum sağlayabilecek esnek tandem hücrelere doğru anlamlı bir adım temsil etmektedir.

Daha Yüksek Verimlilik İçin Malzemelerin İstiflenmesi

Güneş spektrumunun daha geniş bir dilimini yakalamak için iki farklı emici malzemeyi katmanlayan tandem mimariler, en yüksek verimlilik kazanımlarının bulunduğu yerdir. Joule'da yayınlanan bir makalede, bir ekip, kaldırma işlemiyle üretilen esnek iki terminalli perovskit/CIGS tandem güneş hücrelerini gösterdi: poliimid bir cam desteğe kaplanır, tam hücre yığını üstüne inşa edilir ve ardından bitmiş cihaz camdan serbest bırakılır. Sonuç, bağımsız olarak Joule ölçümlerinde doğrulanan ve kendi kendine bildirilen değil, sertifikalı esnek bir tandem verimliliği olan %22,8'dir. Bu ayrım önemlidir çünkü sertifikalı değerler, verimlilikteki küçük farklılıkların ömür boyu enerji veriminde ve proje ekonomisinde büyük dalgalanmalara dönüşebileceği ticari uygulanabilirlik ve bankacılıkla ilgili endüstri tartışmalarında daha fazla ağırlık taşır.

Bu yaklaşımı cazip kılan şey, mevcut ince film üretim altyapısıyla uyumluluğudur. CIGS (bakır indiyum galyum selenit) hücreleri zaten mütevazı bir ticari ayak izine sahiptir ve perovskit katmanları nispeten düşük sıcaklıklarda biriktirilebilir. Araştırmacılar, ikisini esnek bir poliimid taşıyıcı üzerinde birleştirerek, ağır, sert cam alt tabakalara olan ihtiyacı ortadan kaldırırken, geleneksel çatı panelleriyle rekabet edebilecek verimliliklere ulaşırlar. Pratik sonuç basittir: Bu hücreleri hafif rulolar üzerine basabilirseniz, eski endüstriyel çatılar, hafif depolar veya afet yardımında ve uzak inşaat alanlarında kullanılan geçici barınaklar gibi geleneksel modüllerin ağırlığı altında çökecek yapılara güneş enerjisi üretimi kurabilirsiniz.

Fabrika Zemini Sorunu

Laboratuvar kayıtları, ne kadar etkileyici olursa olsun, otomatik olarak ürünlere dönüşmez. Perovskit ve organik güneş pilleri, laboratuvar ölçekli gösterimlerden endüstriyel ölçekli üretime geçişte ciddi bir zorlukla karşı karşıya kalıyor; bu durum, yeni ortaya çıkan ince film fotovoltaikler için ölçeklenebilir yarık kalıp kaplama tekniklerinin incelenmesine ilişkin bir raporda belirtiliyor. Yarık kalıp kaplama, perovskit filmlerin sürekli ve geniş alanlı biriktirilmesi için en umut vadeden yöntemlerden biridir; ancak metre genişliğindeki şeritler boyunca film homojenliğinin, kuruma dinamiklerinin ve kusur yoğunluğunun kontrolü, çözülmemiş bir mühendislik bulmacası olmaya devam etmektedir. Eldivenli bir kutuda bir santimetre karelik bir alanda ölçülen en iyi performans gösteren hücre, havada bulunan kirleticilerin ve sıcaklık değişimlerinin hassas öncü kimyasalları bozabileceği gerçek bir üretim ortamına çok az benzeyen koşullar altında çalışmaktadır.

Ultra ince güneş hücreleri hakkındaki haberler genellikle bu açığı göz ardı ediyor. Verimlilik başlıkları dikkat çekiyor, ancak asıl darboğaz, ölçekte tekrarlanabilirlik ve sahada uzun vadeli dayanıklılıktır. Ekonomik açıdan işe yaraması için, yarık kalıp kaplama yönteminin saatte binlerce metrekarede tutarlı kalınlık ve kristal kalitesi sağlaması gerekir ve küçük varyasyonlar bile modül performansını düşüren şönt yolları veya radyasyon yaymayan rekombinasyon merkezleri oluşturabilir.

Nem hassasiyeti de bir diğer açık sorudur: Perovskit malzemeler su buharına maruz kaldığında bozulur ve kapsülleme stratejileri mevcut olsa da, bariyer katmanları eklemek maliyeti ve kalınlığı artırarak "mega ince" avantajını kısmen baltalar. Bu esnek mimariler için çok yıllık dış mekan stabilite verileri elde edilene kadar, ticari benimseme temkinli kalacak ve muhtemelen değiştirme ve bakımın kamu hizmeti ölçekli güneş enerjisi santrallerine göre daha yönetilebilir olduğu daha yüksek değerli nişlerle sınırlı kalacaktır.

Ultra İnce Hücreler İlk Olarak Nereye İnebilir?

Ölçeklendirme engelleri çözülmemiş olsa bile, yakın vadeli uygulama alanı geniştir. Ticari boyutlarda tek bağlantılı silikon güneş pilleri üzerine yapılan araştırmalar, geleneksel teknolojiyi ileriye taşımaya devam ediyor; son silikon çalışmaları, standart plakalarda daha yüksek verimlilik ve daha iyi pasivasyon üzerinde duruyor.

Ancak sert silikon paneller her yerde kullanılamaz. Ultra ince esnek hücreler, ağırlık ve form faktörünün watt başına maliyetten daha önemli olduğu tüketici elektroniği, giyilebilir cihazlar, havacılık ve bina entegre fotovoltaik sistemlerinde erken pazarlar bulabilir. Renksiz poliimid çalışmasında gösterildiği gibi, 50 W/g özgül güç yoğunluğu, son derece küçük miktarda aktif malzemenin düşük güçlü cihazlar için güneş ışığında anlamlı güç sağlayabileceği ve potansiyel olarak pillerin değiştirilme veya şarj edilme sıklığını azaltabileceği anlamına gelir.

Daha geniş vizyonlar daha da ileriye uzanıyor. Son haberlerde de belirtildiği gibi, ultra ince güneş teknolojisi sonunda telefonlardan gökdelenlere kadar her şeye güç sağlayabilir ve yüzeyleri pasif kaplama yerine sessiz jeneratörlere dönüştürebilir. Bu çerçeveleme iddialı: alıntı yapılan araştırmalar büyük ölçüde laboratuvar ve erken cihaz gösterim aşamasında olup, perovskit kararlılığı ve geniş alan kaplamasıyla ilgili üretim zorlukları henüz çözülmemiştir.

Yine de, bu zorluklar çözülebilirse, hafiflik, mekanik esneklik ve yüksek özgül güç kombinasyonu, tasarımcıların ürünlerde ve binalarda enerjiye bakış açılarını yeniden şekillendirebilir. Mühendisler, güneş enerjisini çatılara ve yere monte edilmiş panellere ayırmak yerine, enerji üretimini kavisli cephelere, pencere perdelerine, araç dış yüzeylerine ve taşınabilir yapılara entegre ederek, altyapı ve enerji sistemi arasındaki çizgiyi, günümüzün sert modüllerinin asla eşleşemeyeceği şekillerde bulanıklaştırabilirler.

Kaynak: MO