Yeni geliştirilen tandem güneş pilleri, enerji verimliliğinde %30’luk eşik değerini geride bıraktı. Böylelikle, güneş enerjisinin maliyetini daha da düşürmek ve yeşil enerji dönüşümünü hızlandırmak konusunda önemli bir adım atıldı. Bilim insanlarına göre bu gelişme, güneş enerjisi alanında yeni bir döneme girildiğinin habercisi.
Geçtiğimiz hafta Science dergisinde yayımlanan iki makalede (Chin ve ark. ve Mariotti ve ark.), tandem (çok eklemli) güneş pillerinin verimliliğini %30’un üzerine çıkaran öncül çalışmaların detaylarını paylaştı.
Bugün piyasada yaygın olarak kullanılan silisyum pillerin verimliliğinin yaklaşık %27’lik bir pratik üst sınırı bulunuyor ve buna ulaşmaya birkaç yıl kadar yakınız. Küresel yeşil enerji dönüşümünde güneş pillerinden daha fazla faydalanmak ve bu dönüşüm sürecini hızlandırmak için yeni ve daha verimli teknolojiler geliştirilmesi gerekiyor. Tandem güneş pilleri, bu noktada önemli fırsatlar sunabilir.
Tandem güneş pilleri, güneş ışınlarından en yüksek seviyede faydalanmayı sağlıyor. Kırmızı ışığı daha iyi soğuran silisyum güneş pillerinin, mavi ışığı daha iyi soğuran perovskit tabanlı güneş pilleri ile birleştirilmesi sonucunda daha çok enerji üretilebiliyor. Bu sayede güneş enerjisinin daha da ucuzlaması ve yeşil enerji dönüşümünün hızlanması hedefleniyor.
Küresel güneş enerjisi kurulu gücü 2022 yılında 1.2TW’a yükselmiş olsa da, bu değer hâlâ küresel elektrik üretiminin yalnızca yaklaşık %5’ine tekabül ediyor. Uluslararası Enerji Ajansı’na göre, küresel ısınmanın etkilerini sınırlandırmak için kurulu gücün, 2030 yılına kadar her yıl %25 oranında artması şart. Tandem güneş pilleri gibi, bu dönüşümü hızlandıracak teknolojik gelişmeler büyük önem taşıyor.
Birçok Araştırma Grubu, %30 Eşiğini Aştı
Suudi Arabistan’ın Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nde (KAUST) %33,7’lik rekor verime ulaşan fotovoltaik aygıtlar geliştiren ekipte yer alan Dr. Erkan Aydın da Dr. Stefaan De Wolf ile birlikte tandem güneş pilleri üzerine Science dergisinde bu konuya dair bir değerlendirme kaleme aldı.
Dr. Erkan Aydın, tandem güneş pillerinin, devrim yaratma potansiyeline sahip olduğunu söylerken şöyle devam etti: “Perovskit-silisyum tandem güneş pillerinin geliştirilmesinin, yeşil enerjiye geçiş üzerinde önemli bir etkiye sahip olacağı tahmin ediliyor; en azından bu yoğun araştırma-geliştirme faaliyetlerinin ana motivasyonu, bu.
Silisyum güneş pilleri, oldukça verimli bir teknoloji olmakla birlikte, tek bir yarı iletken soğurucu tabakaya sahip. Tandem güneş pilleri ise birden fazla yarı iletken soğurucu tabakayı bir araya getirerek birim alandan daha fazla verim sağlayabiliyor. Bu yenilikçi güneş pilleri, %30’un üzerinde, nadiren ulaşılan verimlilik seviyelerine ulaşarak yenilenebilir elektrik üretimi için daha verimli ve uygun maliyetli bir çözüm öneriyor. Bu nedenle de güneş enerjisi endüstrisinde devrim yaratma potansiyeline sahip.”
Perovskit malzemelerin silisyum güneş pilleri ile birleştirilerek tandem yapısında üretilmesi ile ilgili çalışmaların 2013’te başladığını hatırlatan Dr Aydın, “O günden bu yana birçok araştırma grubu, bu alanda araştırmalar yürütüyor. Geliştirilen ve bağımsız test kuruluşlarınca sertifikalandırılmış rekor verimli piller, ABD’deki Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (National Renewable Energy Laboratory, NREL) tarafından hazırlanan ve tarihsel gelişimini özetleyen grafikte, son yıllarda dikkat çeken bir ivme ile yerini almış durumda.
%30 verim değerini geçen ilk piller, İsviçre’de bulunan EPFL-CSEM (Lozan Federal Teknoloji Enstitüsü – İsviçre Elektronik ve Mikroteknoloji Merkezi) araştırma ekibi tarafından Temmuz 2022’de yayınlandı. Aynı yılın aralık ayında, Almanya’da bulunan HZB (Helmholtz Zentrum Berlin) araştırma ekibi %32,5 gibi oldukça yüksek bir verim değeri duyurdu. Bu yıl içerisinde ise, benim de ana yürütücülerinden ve araştırmacılarından olduğum KAUST ekibi olarak önce Nisan ayında %33,2, ardından da Mayıs ayında %33,7’lik rekor verim değerleri yayınladık. Bu, halihazırda rapor edilmiş en yüksek değerdir. Bu verim değerinin önümüzdeki yıllarda laboratuvar ölçeklerinde yaklaşık %37’ye kadar artırılabileceğini öngörüyoruz” dedi.
Küresel fotovoltaik şirketlerinin de bu alanda yoğun araştırma faaliyetleri yürüttüğünü söyleyen bilim insanı, Çin merkezli Longi firmasının, geçtiğimiz ay Almanya’da düzenlenen Intersolar Europe fuarında %33,5’lik bir değere ulaştıklarını duyurduğunu söyledi.
Ticarileşme için Ölçeklendirme ve Çalışma Ömrü Konuları da Aşılmalı
“Bu süreçte perovskit-silisyum tandem pilleri, hiçbir soru işareti bırakmayacak şekilde, yüksek verimli fotovoltaik teknolojisi olduklarını ispat ettiler” diyen Dr. Aydın, rapor edilen bu aygıtların, henüz laboratuvar ölçeğinde olduğunu da hatırlattı ve ekledi: “Ticarileşme açısından aşılması gereken konular, bu teknolojinin ticari boyutlarda üretim yöntemlerinin ölçeklendirilmesi ve durağanlığının bugünkü pazar standartlarına getirilmesi. Ölçeklendirme meselesi, teknolojik gelişmelerle teknik olarak aşılabilecek bir konu olarak değerlendirilirken, durağanlık, yani çalışma ömrü, yoğun araştırma gerektiriyor.
Bugün firmalar, fotovoltaik modüllere 25 yıla kadar performans garantisi sağlayabiliyor. Bu, perovskit-silisyum tandem güneş pilleri için de hedef olarak gösterilebilir. Durağanlığı anlamak için bu kadar uzun süre bekleyemeyeceğimizden, hızlandırılmış yaşlandırma testleri ve bunların açık alan testleri ile uyumunu birlikte ele almalıyız.
Bu teknolojinin ticari olarak başarı sağlaması yalnızca verim değerine bağlı değil, ancak mevcut silisyum fotovooltaik modüllerin üzerine %1 ilâ %3 oranında dahi verim artışı sağlamak yeterli olabilir. Burada önemli olan diğer konular, perovskit pil üretiminin ne kadarlık bir maliyet artışına sebep olacağı ve bu modüllerin ne kadar süre performansını koruyarak enerji üretebileceği. Bunlar halen araştırılıyor. Perovskit-silisyum tandem güneş pillerinin başarıya ulaşması, çıkarılacak son ürünün performansına ve fotovoltaik pazarının dinamiklerine bağlı olacak. Alandaki gelişmeleri değerlendirdiğimde benim tahminim, beş yıl içerisinde ilk büyük ölçekli ticari ürünlerin piyasada olacağı yönünde.“
