Tahmini okuma süresi: 3 dakika

Güneş enerjisi, gelecek için en umut verici temiz ve bol enerji kaynaklarından biridir. Bununla birlikte, silisyum bazlı geleneksel güneş pilleri yüksek maliyet, düşük verimlilik ve çevresel etki gibi bazı sınırlamalara sahiptir. Son yıllarda, perovskit adı verilen yeni bir malzeme sınıfı, güneş pili uygulamaları için silikona potansiyel bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Perovskitler ucuzdur, üretimi kolaydır ve verimlilik ve kararlılıkta kayda değer gelişmeler göstermiştir. Bu blog yazısında, perovskitlerin ne olduğunu, nasıl çalıştıklarını ve avantajları ile zorluklarının neler olduğunu keşfedeceğiz.

Perovskitler nedir?

Perovskitler, ABX3 formülüyle ortak bir kristal yapıyı paylaşan bir bileşik ailesidir; burada A ve B farklı boyutlarda katyonlar (pozitif yüklü iyonlar) ve X bir anyondur (negatif yüklü iyon), genellikle iyot, brom veya klor gibi bir halojendir. Perovskit adı, 1839 yılında Rusya’da Gustav Rose tarafından keşfedilen ve adını Rus mineralog Lev von Perovski’den alan bir mineralden gelmektedir. Perovskit minerali CaTiO3 (kalsiyum titanat) bileşimine sahiptir, ancak diğer birçok element kombinasyonu perovskit yapıları oluşturabilir.

Güneş pili uygulamaları için en yaygın olarak çalışılan perovskitler, metilamonyum kurşun iyodür (CH3NH3PbI3) veya formamidinyum kurşun iyodür (HC(NH2)2PbI3) gibi hibrit organik-inorganik kurşun halojenür perovskitlerdir. Bu bileşikler 1,55 ile 2,3 eV arasında bir optik bant aralığına (bir elektronu valans bandından iletim bandına uyarmak için gereken minimum enerji) sahiptir, bu da görünür ışık spektrumunun çoğunu emebilecekleri anlamına gelir. Ayrıca, aktif katmanlar olarak çok ince filmler (yaklaşık 500 nm) kullanmalarına izin veren yüksek emme katsayılarına (ışığı emme yeteneği) sahiptirler.

Perovskit güneş pilleri nasıl çalışır?

Perovskit güneş pilleri, boyaya duyarlı veya organik güneş pilleri gibi diğer ince film güneş pillerine benzer şekilde çalışır. Üst üste yığılmış birkaç katmandan oluşurlar: şeffaf bir elektrot (genellikle indiyum kalay oksit veya ITO), bir elektron taşıma katmanı (ETL), bir perovskit katmanı, bir delik taşıma katmanı (HTL) ve bir metal elektrot (genellikle altın veya gümüş). ETL ve HTL, sırasıyla perovskit tabakasından elektrotlara elektronları veya delikleri (pozitif yükler) seçici olarak taşıyan malzemelerdir.

Güneş ışığı perovskit katmanına çarptığında, perovskitlerin düşük eksiton bağlanma enerjisi nedeniyle hızla serbest elektronlara ve deliklere ayrılan elektron-delik çiftleri (eksitonlar) oluşturur. Elektronlar ETL’ye doğru hareket ederken, delikler yük ayrımı tarafından oluşturulan bir elektrik alanı altında difüzyon veya sürüklenme yoluyla HTL’ye doğru hareket eder. ETL ve HTL daha sonra bu yükleri kendi elektrotlarına aktararak cihazlara güç sağlamak için kullanılabilecek bir elektrik akımı oluşturur.

Perovskit güneş pillerinin avantajları nelerdir?

Perovskit güneş pilleri, geleneksel silikon güneş pillerine göre çeşitli avantajlara sahiptir:

  • Düşük maliyet: Perovskitler, çözelti işleme veya buhar biriktirme gibi basit yöntemler kullanılarak ucuz ve bol miktarda hammaddeden sentezlenebilir. Silikon gibi pahalı ekipmanlar veya yüksek sıcaklıklar gerektirmezler.
  • Yüksek verimlilik: Perovskit güneş pilleri, 2009’daki ilk raporlarından bu yana verimlilikte %3,8 ile tek bağlantı mimarilerinde %25,7 ve silikon ile birlikte %29,8’lik mevcut rekorlarına kadar kayda değer kazanımlar elde etmiştir. Bu değerler kadmiyum tellürid veya bakır indiyum galyum selenid (yaklaşık %20) gibi diğer ince film teknolojilerini aşmaktadır. Ayrıca perovskit güneş pilleri, özellikle görünür ve yakın kızılötesi bölgelerde silikondan daha fazla güneş ışığı emmelerini sağlayan geniş bir bant aralığına sahiptir.

Perovskit güneş pilleri için zorluklar ve fırsatlar nelerdir?

Etkileyici performanslarına rağmen, perovskit güneş pilleri yaygın olarak ticarileştirilmeden önce ele alınması gereken bazı zorluklarla karşı karşıyadır. Bu zorluklardan bazıları şunlardır:

  • Kararlılık: Perovskitler nem, oksijen, ısı ve ışık bozulmasına karşı hassastır, bu da zamanla verimliliklerini ve kullanım ömürlerini azaltabilir. Bu nedenle, perovskit güneş pillerinin uzun süreli dayanıklılığını sağlamak için uygun kapsülleme ve koruma yöntemlerine ihtiyaç vardır.
  • Ölçeklenebilirlik: Perovskitler çoğunlukla küçük ölçekli laboratuvar cihazlarında (birkaç santimetre kare) gösterilmiştir. Geniş alanlı modüllere (birkaç metrekare) kadar ölçeklendirme, üretim süreçlerinin optimizasyonunu, kalite kontrolünü ve elektrotlar, alt tabakalar ve ara bağlantılar gibi diğer bileşenlerle entegrasyonu gerektirir.
  • Zehirlilik: Bazı perovskitler, toprağa veya su kaynaklarına salınması halinde çevre ve sağlık riskleri oluşturan toksik bir element olan kurşun (Pb) içerir. Bu nedenle, perovskitlerin toksisite etkisini azaltmak için araştırmacılar tarafından alternatif kurşunsuz veya düşük kurşunlu bileşimler araştırılmaktadır.

Öte yandan, perovskit güneş pilleri için daha fazla iyileştirme ve yenilik için birçok fırsat da vardır:

  • Tandem yapılar: Tamamlayıcı bant aralıklarına sahip iki farklı güneş pili türünü birleştirerek (perovskit-silikon veya tamamen perovskit tandemler gibi), daha geniş bir spektrum aralığından daha fazla foton toplayarak tek kavşaklı cihazlardan daha yüksek verimlilik elde etmek mümkündür.
  • Esnek alt tabakalar: Sert cam plakalar yerine plastik filmler veya metal folyolar gibi esnek alt tabakalar kullanarak hafif, bükülebilir, yuvarlanabilir, katlanabilir ve hatta giyilebilir perovskite cihazlar oluşturmak mümkündür.

Facebook Yorumları