Geçtiğimiz hafta Science dergisinde yayınlanan iki makalede (Chin ve ark. ve Mariotti ve ark.), tandem (çok eklemli) güneş pillerinin verimliliğini yüzde 30’un üzerine çıkaran öncül çalışmaların detayları yayınlandı.
Bugün piyasada yaygın olarak kullanılan silisyum pillerin verimliliğinin yaklaşık yüzde 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 yüzde 5’ine tekabül ediyor. Uluslararası Enerji Ajansı’na göre, küresel ısınmanın etkilerini sınırlandırmak için kurulu gücün, 2030 yılına kadar her yıl yüzde 25 oranında artması şart. Tandem güneş pilleri gibi, bu dönüşümü hızlandıracak teknolojik gelişmeler büyük önem taşıyor.
Suudi Arabistan’ın Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nde (KAUST) tandem piller üzerine araştırmalarına devam eden ve yüzde 33,7’lik rekor verime ulaşan fotovoltaik aygıtlar geliştiren ekipte yer alan Dr. Erkan Aydın tandem güneş pilleri üzerinde değerlendirmelerde bulundu.
Tandem güneş pilleri, devrim yaratma potansiyeline sahip
Dr. Aydın, perovskit-silisyum tandem güneş pillerinin geliştirilmesinin, yeşil enerjiye geçiş üzerinde önemli bir etkiye sahip olacağının tahmin edildiği ve bunun üzerine çalışmalar yapıldığını belirterek şu bilgileri verdi:
“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, yüzde 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.”
Birçok araştırma grubu, yüzde 30 eşiğini aştı
“Perovskit malzemelerin silisyum güneş pilleri ile birleştirilerek tandem yapısında üretilmesi ile ilgili çalışmalar 2013 yılında başladı. 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.
Yüzde 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 yüzde 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 yüzde 33,2, ardından da Mayıs ayında yüzde 33,7’lik rekor verim değerleri yayınladık. Bu, halihazırda rapor edilmiş en yüksek değerdir. Bu verim değerinin önümüzdeki yıllarda laboratuvar ölçeklerinde yaklaşık yüzde 37’ye kadar artırılabileceğini öngörüyoruz.
Bunların yanı sıra küresel fotovoltaik şirketlerinin de bu alanda yoğun araştırma faaliyetleri yürüttüğünü biliyoruz. Örneğin Çin merkezli Longi firması, geçtiğimiz ay Almanya’da düzenlenen Intersolar Europe fuarında yüzde 33,5’lik bir değere ulaştıklarını duyurdu.”
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. Ancak rapor edilen bu aygıtlar, henüz laboratuvar ölçeğinde. 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 almalı.”
Ticari ürünler 5 yıl içinde piyasaya çıkabilir
“Bu teknolojinin ticari olarak başarı sağlaması yalnızca verim değerine bağlı değil, ancak mevcut silisyum fotovoltaik modüllerin üzerine yüzde 1 ilâ yüzde 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.”
