Prof. Dr. Şener Oktik -Kadir Has Üniversitesi Öğretim Üyesi
Fotovoltaik Sektöründe Yeni Oyuncu: Saydam Güneş Gözeleri, Cam Cepheler ve Pencereler
Güneş gözeleri tasarımında soğurucu yarı iletken tabakalar için bugüne dek 30’a yaklaşan malzeme araştırılmış ve birçoğu ticari olarak uygulanmaktadır. Kullanılan soğurucu tabaka seçiminde yeryüzüne düşen güneş enerjisi spektrumunun yaklaşık yüzde 51’ni oluşturan görünür bölge (380nm-780nm) etkin olarak değerlendirilmeye çalışılmıştır. Bir yandan görünür bölge enerjisin soğurulması hedeflenirken, diğer yandan bu bölgedeki ışığın bir kısmını ya da tamamını geçiren güneş gözeleri tasarımı fikri ilk bakışta birbiriyle çelişen iki düşünce gibi görünmektedir.
2019 yılı sonunda dünya genelinde yaklaşık 650 GW büyüklüğüne ulaşan toplam “Fotovoltaik Güç Sistemi-FVGS” kurulumların yaklaşık yüzde 60 kadarı alana kurulu Güneş Enerjisi Santrallerinden (GES) oluşmaktadır. Binaya uygulanmış fotovoltaik sitemler (Building Applied Photovoltaic, BAPV) çoğunlukla çatı uygulamaları şeklinde olup toplam kurulumlardaki payı yüzde 35 civarındadır. Binayla bütünleşmiş (Building Integrated Photovoltaic, BIPV) çatı, cephe vb. uygulamaların payı henüz yüzde 5 kadardır. Bu uygulamaların hemen hemen tamamı saydam olmayan güneş gözelerinden oluşmaktadır.
Ülkemizde FVGS’ler çoğunlukla GES yapısında olup Eylül 2020 itibarı ile yaklaşık 6400 MWp’e ulaşmıştır. Çatı ve cephe uygulamalarının ülkemizdeki ilk örnekleri üniversitelerimizde küçük kurulumlarla başlamış (Şekil-1) ardından MW büyüklüğünde ticari binalarda, fabrikalarda, alışveriş merkezlerinde, otoparklarda ve pazar yeri tasarımlarında sınırlı sayıda uygulamalarla devam etmiştir.
2019 yılında SHURA Enerji Dönüşümü Merkezi tarafından yayımlanan rapora göre, toplam çatı alanları; ticari, kamu ve sanayi binalarında 0,4 milyar m2, eğitim amaçlı binalarda 48 milyon m2, otellerde 8 milyon m2, sağlık hizmeti veren binalarda 25 milyon m2 ve alışveriş merkezlerinde 6 milyon m2 olarak hesaplanmıştır.
FVGS için teknik olarak uygun çatı alanları dikkate alındığında FV teknolojisiyle birlikte toplam potansiyelin yaklaşık 15GWp olduğu öngörülmektedir. Ancak 2019 verileriyle toplam FVGS çatı kurulumu 1GWp büküklüğüne ulaşmamıştır. Son yıllarda cephe ve çatı uygulamaları için getirilen mevzuattaki teşvik edici düzenlemelerle FVGS çatı kurulumları potansiyelinin kullanılma hızının artacağı öngörülmektedir.
Şekil 1. Muğla Üniversitesi (2004), Türkiye’nin ilk BAPV uygulama Örnekleri (a). 40.3kWp Amorf Silisyum Modüllerle FVGS Cephe Uygulaması (b). 25.6kWp Çok Kristalli Silisyum Modüllerle FVGS Çatı uygulaması
Küresel ölçekte artan şehirleşme ve beraberinde yoğunlaşan binalar ve dikey büyümeyle artan bina kat sayıları gökdelenlerin yüzlerce metre yüksekliklere tırmanmasını beraberinde getirmiştir. En yüksek gökdelene sahip olma yarışı firmalar, sektörler hatta ülkeler arasında bir yarışa dönüşmüştür. Dünyada öne çıkan ve yükseklikleri 300 m üzerinde olan süper yüksek gökdelenler aşağıda sıralanmıştır.
Şekil 2. Süper yüksek gökdelenler (yapım yıllarına göre sıralanmıştır) (Ref: Vuk Radovic, Density through the Prism of Supertall Residential Skyscrapers: Urbo-Architectural Type in Global Megacities, Sustainability 2020, 12, 1314; doi:10.3390/su12041314)
Şekil 2′ de görüldüğü gibi binalar yükselirken tasarımlarında cephelerde cam kullanımı oranı hızla büyümektedir. 1990 yıllarından başlayarak pencerelerden ve cephelerden yararlanarak binaların enerji üretmesi için “Binalara Entegre Fotovoltaik Sistemler-BIPV” ve “Binalara Uygulanan Fotovoltaik Sistemler-BAPV” kavramları ve uygulamaları olgunlaşmaktadır.
Mimaride kendi enerjisini üreten çevre dostu binalar için fotovoltaik modüller yapı elemanı olarak dikkate alınsa da saydam olmayan fotovoltaik modüller uygulama alanlarını kısıtlamaktadır.
Küresel ölçekte cam cephe ve pencerelerin toplam alanlar konusunda sağlıklı verilere ulaşmak zor olsa da, 2019 yılında Amerika Birleşik Devletlerinde (ABD) yapılan bir çalışmada ülkeleri için raporlanan 5 ila 7 milyar metrekare toplam cephe ve pencere alanı, potansiyelin büyüklüğü konusunda bir fikir vermektedir.
Başlangıçta BIPV ve BAPV uygulamalarının ekonomik ve estetik değerlendirilmeleri tartışılırken son 30 yılda taleplere uygun yarısaydam ve saydam fotovoltaik gözelerin endüstriyel ölçekte üretebilmesi çok sayıda araştırmanın konusu olup yapı endüstrisine cam sağlayan büyük cam şirketlerin stratejilerine girmiştir.
Tarihsel bir bakışla güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretme çabaları 180 yılı aşkın bir süredir devam etmektedir. Bu yolculukta bilim, teknoloji ve endüstri kutsal üçgeninde çok sayıda kilometre taşları geçildi, oyun değiştiren oyuncular geldi kayboldu. Heyecanlar, umutlar, hayaller ve hayal kırıklıkları yaşandı, yaşanmaya da devam ediyor.
Önemli kilometre taşlarının tarihsel akışı: 1950’lerde laboratuvarda yaklaşık yüzde 6 verimlilik yakalanırken ilk ticari modül için watt-peak (Wp) başına yaklaşık 300 dolar fiyat belirlenmişti. 1960’ların başında Japonlar bir deniz feneri için kurdukları 240 Wp büyüklüğündeki fotovoltaik güç sistemini dünyanın en büyük FV kurulumu olarak duyurdular.
1970’lerin ortalarında küresel ölçekte üretim kapasitesi yılda 500 KWp değerine çıkarken Wp başına fiyat üçte birine, yaklaşık 100 dolar civarına indi. Bilimsel ve teknolojik gelişmeler ile birlikte fotovoltaik sektöründeki göze ve diğer bileşenlerdeki katlanarak artan üretim kapasitesi ve buna bağlı gelişen olgunluk düzeyi birçok kilometre taşına öngörülenden önce ulaşılmasını sağladı.
1990’larda yıllık üretim kapasitesi GWp mertebesine yaklaşırken Wp fiyatları 10 doların altına indi ve 2000’lerin başlarında yıllık küresel FVGS kurulumu 1 GWp sınırını aştı. 2012 de toplam kurulum 100 GW üstüne çıkarken Wp fiyatları 1 dolar değerinin altına indi. Kümülatif FV kurumları 2010 yılların ortalarında 500 GWp değerine doğru tırmanırken, Wp fiyatları da 0.5 doların altına geriledi.
2019 yılında yıllık kurulum 120 GWp’ı aşarken küresel toplam kurulu FVGS 650 GW değerinin üzerine çıktı. Ancak 2020 yılında bütün sektörlerde olduğu gibi FV sektörü de etkilendi. 140 GW olarak öngörülen toplam kurulum, 2019 göre yüzde 16 gerileyerek yaklaşık 105 GWp olarak a gerçekleşeceği değerlendirilmektedir.
Son 40 yıldır kümülatif fotovoltaik modül kapasitesi her iki katına çıktığında Wp fiyatları yüzde 25 azalmaktadır. 2020 yılının üçüncü çeyreğinde piyasadaki modül özelliklerine bağlı olarak Wp fiyat aralığı 0.2- 0.3 dolar arasında değişmektedir.
Yukarıdaki tarihsel akışta FVGS bileşenlerinin bütün parametreleri hızla gelişmesi büyük önem taşımaktadır. FVGS’lerin kalbi olarak değerlendirilen güneş gözelerinin (güneş pilleri, güneş hücreleri) için dört ayrı kuşak tanımlanabilir:
- (1G, the first generation) Birinci kuşak; tek ya da çok kristalli silisyuma ve GaAs kristaline dayalı güneş gözeleri,
- (2G, the second generation) İkinci kuşak; ince film teknolojilerinde dayalı olarak geliştirilmiş güneş gözeleri (öne çıkanlar: amorf silisyum, mikro-kristalin silisyum, CdTe ve CIGS),
- (3G, the third generation) Üçüncü kuşak; dye-sensitized güneş gözeleri (DSSC), organik ve polimerik güneş gözeleri, perovskite güneş gözeleri, kuantum dot güneş gözeleri ve çok eklemli güneş gözeleri,
- (4G, the fourth generation) Dördüncü kuşak; düşük maliyetli ve kararlı esnek polimer ince filmler, metal nano parçacıklar, metal oksitler, karbon nano-tüpler, grafen ve bunların türevleri.
170 yıldır güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme alanındaki yoğun çabaların arkasında dünyaya gelen güneş enerjisinin dünyanın ihtiyacı olan gücün birkaç katını sağlayabileceği gerçeği yatmaktadır. Yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinin yaklaşık yüzde 96’sı spektrumun 270 nm ile 2500 nm arasında kalan bölgesindedir. Spektral dağılımında mor ötesi (280nm-380nm) yaklaşık yüzde 4, görünür bölge (380nm-780nm) yaklaşık yüzde 51 ve yakın kızıl ötesi ( 780nm-2600nm) yüzde 41 katkı yapmaktadır.
Şekil 3. Yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinin spektral dağılımı ve farklı güneş gözelerinin soğurucu tabakalarının etkin olduğu bölgeler
Birinci kuşakta (1G) kullanılan soğurucu katmalar görünür bölgedeki yüzde 51 enerjiyi değerlendirmek için tasarlanmıştır. Monokristal silisyum güneş gözelerinin laboratuvar verimliliklerin son onaylanmış verimlilik değeri yüzde 26,8 değerine ulaşmış olup, teorik sınır olan yüzde 33,2 değerine yaklaşılmıştır.
Polikristal silisyum gözeler bu verimliliği yakından takip etmektedir (yüzde 26,1). Kristalli silisyum gözelere dayalı modüllerde; monokristaller yüzde 25 sınırını aşarken polikristaller yüzde 20 civarında seyretmektedir. Toplam fotovoltaik pazarında ince film gözelerin payı yüzde 7’lere gerilerken ticarileşmiş göze ve modül verimliliklerinin güncel değerleri sırasıyla CdTe için yüzde 22.1 ve yüzde19; CIGS için yüzde 23,4 ve 19,2 olarak raporlanmıştır. İnce film FV alanına iddialı giren perovskite gözeler yüzde 25,5 ve modüller yüzde 16,1 değerlerine ulaşmıştır.
Girişte belirtildiği gibi güneş gözeleri tasarımında bir yandan görünür bölge enerjisin soğurulması hedeflenirken, diğer yandan bu bölgedeki ışığın bir kısmını ya da tamamını geçiren güneş gözeleri ve bunları cam cephe ve pencerelerde uygulanması fikri bilimsel ve teknolojik olarak çözülmesi gerekli çok sayıda engeli içermektedir.
Yarısaydam ve saydam güneş gözelerine olan talebi karşılama yolunda farklı çözümler üretilmiştir. İnorganik yarısaydam göze teknolojiler saydam olamayan gözelerin inceltilmesi, desenler şeklinde bir kısmının çıkarılması ya da lazerle delikler açılarak perfore edilmesiyle elde edilmektedir. İnce filmlerde ince soğurucu tabakaların kullanılmasıyla yarı saydam fotovoltaik modüller üretilebilmektedir.
Şekil 4. İnorganik yarısaydam göze teknolojileri
İnorganik yarı saydam güneş gözelerinde kristal silisyum tabanlı gözelere, 2019 yılında mono kristal silisyum güneş gözesinin üzerine 100µm çapında lazerle delikler açılarak gelen ışığın yüzde20 sinin geçişine izin veren, yüzde 12 verimlilikte gözeler raporlanmıştır. Amorf silisyum modüllerde yaklaşık yüzde 24 ışık geçirgenliğinde yüzde 7 verimlilik, CIGS modüllerde yüzde 26 geçirgenlikte yüzde 5 civarında verimlilikler raporlanmıştır. Bu değerler inorganik yarı saydam güneş gözelerinin fizibil kullanım alanlarını daralmaktadır. Bu alandaki literatürde organik güneş pillerinin yarısaydam hale getirilmesinde yüzde 54, ışık geçirgenliğinde yüzde 6 verimlilik elde edildiği belirtilmektedir (Lee, K. et.al. Review, “The Development of Transparent Photovoltaics, Cell Reports Physical Science” 1, 100143, August 26, 2020).
Diğer bir yaklaşım olan Luminesant Solar Yoğunlaştırıcı (Luminescent Solar Concentrators) teknolojilerinde dalga kılavuzu luminifor (luminophores) filmler cam üzerine lamine edilerek mor ötesi ve yakın kızıl ötesi bölgesindeki ışığı soğurarak pencere kenarlarına yerleştirilmiş güneş gözelerine üzerinde yoğunlaşmasını ve bu yolla saydam bir cam panelde fotovoltaik solar elektrik elde edilmesine olanak vermektedir.
Bu yaklaşımda yüzde 75’i aşan ışık geçirgenliğinde raporlanmış en yüksek verimlilik yüzde 1’i henüz aşmıştır (Frias, A. R. “Transparent Luminescent Solar Concentrators Using Ln3+-Based Ionosilicas Towards Photovoltaic Windows”, Energies 2019, 12, 451; doi:10.3390/en12030451).
Şekil 5. Luminesant solar yoğunlaştırıcı teknolojileri
Yarısaydam ve saydam güneş gözelerinde yukarıda özetlenen teknolojilerde temel çelişki olan verimliliği ve görünür bölge geçirgenlikleri istenen düzeyde tutma konusunda talebi karşılayacak düzeye ulaşılamadığı için ancak çeşitli kaynaklarca desteklenen küçük uygulamalarda yer bulabilmiştir.
Yukarıda tartışılan çelişkilerin kaynağındaki bilimsel ve teknolojik problemlerinin çözümüne yönelik çabalar yaklaşık 10 yıl önce MIT, UCLA, Michigan State University ve diğer birçok üniversitede “dalga boyu seçici polimer tabanlı organik fotovoltaik hücreler” üzerinde başlamıştır ( Lunt, R., R., Bulovic, V., “ Transparent, near-infrared organic photovoltaic solar cells for window and energy-scavenging applications” , Applied Physics Letters, 2011, 98, 113305 )
Organik Güneş Gözeleri, spektrumun görünür ve yakın kısıl ötesi spektrumunu soğuran küçük moleküllerden oluşurken, polimer tabanlı gözelerde seçici olarak spektrumu soğuran elektron veren (donor) ve elektron aln (acceptor) uzun zincir organik moleküllerden oluşmaktadır. Bu araştırmalarda güneş spektrumunun mor ötesi ve kızıl ötesi bölgesini etkin olarak soğuran ve görünür bölgeyi geçiren polimer moleküllerin geliştirilmesi ve soğrulan enerjiyi etkin bir biçimde elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik teknolojiler hedeflenmiştir. Şekil 6. ve Şekil 7 saydam polimer tabanlı organik fotovoltaik gözelerin çalışma prensibini ve göze tasarımını özetlemektedir. Geliştirilen teknolojide mor ötesi bölgede 450nm’nin altındaki dalga boyları ve 650 nm’nin üzerindeki dalga boyları etkin bir biçimde soğurulup fotovoltaik dönüşüm gerçekleşmektedir. “Proof of concept” döneminde küçük ölçekli gözeler için yüzde 55’leri aşan optik geçirgenlik için verimlilikler yalnızca yüzde 2 civarında iken bugün modül boyutunda yüzde 10 değerlerine yaklaşılmıştır.
Şekil 6. Dalga boyu seçici polimer tabanlı organik fotovoltaik gözelerin spekturumda seçtiği dalga boyları ve optiksel geçirgenlik spektrumu
Şekil 7. Dalga boyu seçici polimer tabanlı organik fotovoltaik gözelerin tasarımında katmanlar: cam üzerine saydam iletken oksit (TCO) üzerine organik gözelerin art arda büyütülmesi; dağıtımlı Bragg yansıtıcı (A distributed Bragg reflector DBR) ve Geniş band antireflekte (Broad-band antireflection BBAR ).
Dalga boyu seçici polimer tabanlı güneş gözelerinde on yıl önce başlayan araştırma ve teknolojik geliştirme çabaları içinde yer alan bir start-up şirket olan “Ubiquitous Energy” 25milyon doları aşan destekle düşük maliyetli teknolojilerle üretilen ve verimliliği yüzde10 yaklaşan ve görünür bölge geçirgenliği yüzde 60’ları aşan modülü 2019 yılında üretilmiştir (Şekil 8.)
Şekil 8. Ubiquitous Energy’s Dalga boyu seçici polimer tabanlı yüzde 9,8 verimli güneş modülleri (Clear View) ve pencereler
Dünyanın en büyük cam üreticileri arasında olan NSG Group (Nippon Sheet Glass, Co. Ltd. Mayıs 2019 da Ubiquous enerjiyi bünyesine alarak, raştırma ve teknolojik geliştirmelere birlikte devam etmeyi ve Clear View Power teknolojisi ile saydam organik fotovoltaik pencereler için modül üretmeyi stratejik hedefleri arasına almıştır. Bu gelişmelerle beraber saydam gözeler kullanarak güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretme yol haritasında ticarileşme kilometre taşına ulaşılmış olup, Nippon Sheet Glass, Co. Ltd gibi uluslararası ölçekte büyük bir grubun saydam fotovoltaik modü üretimini stratejilerine dâhil etmesi çok uzak olmayan gelecekte fotovoltaik sektörüne yeni bir oyuncunun gireceğini işaret etmektedir.
Küresel ölçekte cam cephe ve pencerelerin binalarda artan kullanımı ve bu alanlardan saydam fotovoltaik sistemlerle üretilebilecek elektrik enerjisinin büyüklüğü güneş enerjisi sektörüne giren yeni oyuncunun “oyun değiştirici” (Game Changer) olma potansiyelini işaret etmektedir.
Şekil 9. Tamamen saydam organik ilk fotovoltaik pencere “Ubiquitous Energy”
Kaynaklar:
- https://ihsmarkit.com/research-analysis/ihs-markit-releases-new-2020-solar-installation-forecasts.html
- https://www.pv-magazine.com/module-price-index/
- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pip.1088
- https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20200925.pdf
- https://phys.org/news/2020-09-highly-efficientperovskite-solar-cells.htm
- https://www.researchgate.net/publication/269930853
- https://www.researchgate.net/publication/331915763
- https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf
- https://ocw.tudelft.nl/wp-content/uploads/solar_energy_section_10_1_10_2.pdf
- https://pv-magazine-usa.com/2020/04/09/ubiquitous-energys-clear-windows-harvest-uv-and-ir-light-an-update/
Kısaltmalar:
ABD Amerika Birleşik Devletleri
α-Si Amorf Silisyum
BAPV Binaya Uygulanmış Fotovoltaik (Building Applied Photovoltaic)
BBAR Geniş band antireflekte (Broad-band antireflection
BIPV Binaya Bütünleşmiş Fotovoltaik (Building Integrated Photovoltaic) FV Fotovoltaik
DBR Dağıtımlı Bragg Yansıtıcı (A distributed Bragg reflector)
DSSC Boyaya Duyarlı Güneş Gözeleri ( Dye-Sensitized Dolar Cells)
C-Si Kristalli Silisyum
CdTe Cadmium Tellür
CIGS Bakır indiyum Galyum di Selenit (Copper Indium Galium di Selenide)
FV Fotovoltaik
FVGS Fotovoltaik güç sistemi
GES Güneş Enerji Santrali
GW Gigavat
KW Kilovat
LSC Luminesant Solar Yoğunlaştırıcı (Luminescent Solar Concentrators)
m2 metrekare
MW Megavat
nm nanometre
NSG Group (Nippon Sheet Glass, Co. Ltd)
TCO Saydam iletken oksit (Transparent Conducting Oxide)
Wp Vat-pik (Watt-peak)
