Güneş Enerjisi’nde İnovasyon: Sınırların Ötesindeki Yeni Teknolojiler
Silikon bazlı güneş pillerinin fiyatı yıllar içinde giderek düşüyor. 1977'de, silikon güneş paneli için her watt kapasitesi yaklaşık 76 $ idi. 1987’de bu oran 10 dolara kadar düştü. 2017 yılında, EnergyTrend’e göre, 0.22 $ idi. Bu, güneş enerjisinden elde edilen enerji için düşen fiyatlara yansımıştır.
Şebekeden gelen güneş enerjisi fiyatı büyük bir düşüş gösterse de, bireysel bir sistem kurmanın maliyeti de benzer bir oranda düştü. Çeşitli siyasi figürlerin söylediklerine rağmen, serbest piyasa yakında yeni kurulumu gerçekleş-tirilecek santrallerin güneş santralleri olması gerektiğini belirleyecek. Basitçe söylemek gerekirse, güneş artık kömür veya petrolden daha ucuz.
Seviye Artırılmış Elektrik Maliyeti (LCOE), inşaat ve yakıt maliyetleri de dahil olmak üzere enerji üretimiyle ilgili tüm maliyetleri hesaba katmaya çalışır. İngiltere’de, LCOE açısından güneşten daha ucuza kurulabilecek tek şey karadaki rüzgar ve doğal gaz çevrim santrallerdir.
Yenilenebilir Bir Geleceğin Güç Kaynaklarının Bir Karışımına İhtiyacı Var
Ancak elbette, yenilenebilir teknolojiyle ilgili olarak enerji piyasalarındaki eğilimin “yenilenebilir enerjiye eğilim” değil, neden “gaz için eğilim” olduğunu açıklayan sorunlar var.
David Mackay, ücretsiz çevrimiçi olarak temin edilebilen Sıcak Havasız Sürdürülebilir Enerji adlı kitabında, sadece yenilenebilir enerji ile enerji ihtiyaçları karşılanabilir bir Britanya’nın basit hesaplamalar kullanarak nasıl görüneceğini açıklıyor.
Çok fazla yenilenebilir güce ihtiyacımız var; lakin her uygun yüzeyi güneş panelleri ile kaplamak bile henüz yeterli enerji ihtiyacını karşılayamaz durumda.
İngiltere’ye sadece güneş enerjisi ile güç sağlamak için Mackay, ülkenin yüzde 20'sini güneş panelleri ile kaplamamız gerektiğini söylüyor. Bundan azını düşünmek zor. Elbette rüzgar ve hidroelektrik enerji gibi diğer kaynaklar da yardımcı olabilir. Ancak, o durumda bile, Mackay’ın planlarının çoğu, temiz çöl teknolojisi, yani dünya çöllerinde büyük ölçekli güneş paneli kurulumlarına dayanıyor.
Gerçekte, yenilenebilir geleceğimiz — oraya ulaşmayı başarabilirsek — karmaşık bir güç kaynağı karışımına ve güneş ve rüzgar enerjisinden gelen güç çıkışının değişkenliği gibi sorunları telafi etmemize izin veren pil depolama teknolojisine bağlı olacaktır.
Kesinlikle yardımcı olacak diğer bir şey ise daha verimli güneş panellerinin geliştirilmesi olacaktır. Bununla birlikte, burada, bilim adamları, tıpkı transistör geliştiren teknoloji uzmanları gibi, temel fiziksel sınırlamalar ile de mücadele ediyorlar (mini jeneratör makalesini okuyabilirsiniz).
Bu temel fiziksel sınırlamalar, güneş panelleri söz konusu olduğunda, Shockley-Queisser limiti olarak adlandırılır.
Güneş Panelinin Anatomisi
Güneş panelleri, iki enerji bandından oluşan elektronlu yarı iletken benzeri silikon bir malzeme içerir: düşük valans ve yüksek iletim bantları. Güneşten fotonlar içeri girdiğinde elektrona çarparlar. Elektron daha sonra yüksek iletim bandına atlar ve yoğunluk değişimi gerçekleşir, sonrasında elektrik gücünü ortaya çıkaran bir akımı reaksiyonunu tahrik eder.
Ancak, güneş enerjisinin ne kadarını ortaya çıkarabileceğimize dair bazı sınırlamalar var. Güneş birçok farklı enerji seviyesinde fotonlar yayar, bu yüzden birçok farklı enerji seviyesindeki fotonlar güneş paneline çarpar. Bununla birlikte, bant aralığı enerjisi sabit bir değerdir ki bu 1.1eV dur.
Gelen fotonlar bu enerjiden daha az enerjiye sahipse, bir elektronu tahrik edemez ve maalesef etkisiz kalarak boşa giderler. Bu fotonlar bu enerjiden daha fazla enerjiye sahipse, tahrik edilen elektronun güneş paneline dağıtılan ve kolayca ortaya çıkarılamayan çok fazla termal enerjisi de vardır, bunu da belirtmekte fayda var.
Bu düşüncelerle geleneksel silikon güneş pilleri için üst “temel sınır”, üzerlerine düşen güneş enerjisinin sadece yüzde 33'ü ile sınırlıdır.
Güneşi Nasıl Kandırabiliriz?
Bir yöntem tandem güneş hücreleridir; farklı bant aralıkları ile birleştirilmiş çok sayıda güneş pili (hücresi), güneş spektrumunun farklı alanlarını toplayabilir. Şu anda mevcut olan tandem hücreler, elverişli koşullar altında yüzde 40'a varan oranda verimlilik sağlarlar, ancak üretimleri çok pahalıdır.
Geliştirilmekte olan diğer bir fikir ise kuantum nokta güneş hücreleridir. Kuantum noktaları yarı iletkenlerden yapılmış yapay atomlardır ve yarı iletken blobun boyutu ve şekli elektriksel özelliklerini belirler. Bunlarla, bant aralığı, güneşten gelen tepe yoğunluğuyla tam olarak aynı şekilde ayarlanabilir, bu da % 33'lük Shockley-Queisser limitine yaklaşan daha yüksek verimlilikle sonuçlanır.
Çevresinde büyük bir heyecan yaratan olan diğer bir fikir ise, yüksek enerjili bir fotonu emdiği keşfedilen tekli fisyon malzemelerdir. Elektron deliği çifti, tahrik durumda ilerler, daha sonra her biri bir foton yayan iki çift halinde ayrılırlar. Yüksek enerjili bir fotonun dönüştürülmesi, enerjisinin boşa harcanmasını önler. Elde edilen iki düşük enerjili foton teorik olarak altındaki geleneksel bir güneş paneli tarafından emilebilir. Bu potansiyel bir çözüm sunar: geleneksel bir güneş hücresini tekli fisyon malzemesi tabakası ile boyayın ve verimlilik artışını göreceksiniz.
Sınırları zorlamak ve daha önce imkansız olduğu düşünülen şeyleri yapmak için sürekli olarak yeni yollar bulduğumuzu görmek heyecan verici bir şey. Yenilenebilir enerji durumunda, eğer bu gezegende yaşamaya devam etmek istiyorsak, sınırları zorlamaya devam etmemiz şart.
Şeffaf Güneş Hücreleri
Güneş enerjisiyle ilgili tamamen ayrı bir düşünce yöntemi şudur; araştırmacılar dünyanın cam yüzeylerinin güneş panellerine nasıl dönüştürüleceğini araştırıyor. Şimdiye kadar, güneş enerjisini toplama çabalarımız güneş çiftlikleri ve çatı panelleriyle sınırlıydı. Bununla birlikte, yeni bir analiz, şeffaf güneş teknolojilerinin ABD’deki enerji talebinin yüzde 40'ını sağlayabilecek pencerelere, ekranlara ve arabalara uygulanabileceğini gösteriyor.
Şeffaf ve yarı şeffaf hafif materyaller 2011 veya 2012 yıllarında ortaya çıktı, ancak ticari olarak henüz sadece bazı ürünler var ve son olarak Nature dergisinin yaptığı incelemeye göre deneysel çalışmalar etkileyici performanslar sunuyor bizlere. Derginin yazarları, ABD’de 5 ila 7 milyar metrekare cam yüzey kapasitesinde bir potansiyel alan olduğunu tahmin ediyorlar, ve bu alanlar günümüzün güneş panellerine benzer verimliliklere sahip şeffaf güneş pilleriyle kaplamak, çatıdaki güneş enerjisi kurulumları için ülke çapında potansiyele yaklaşan ek bir 100 GW güç sağlayabilir. Bu tahmin, bu malzemelerin binaların cam olmayan dış yüzeyine entegre olma olasılığını ve ayrıca el tipi elektroniklere veya otomobillerin ön camlarına monte etme potansiyelini bile göz ardı ediyor.
Michigan Eyalet Üniversitesi’nde şeffaf güneş enerjisi teknolojisi üzerine çalışan bir profesör olan Richard Lunt yaptığı basın açıklamasında, “Geleneksel güneş uygulamaları beş yıldan fazla bir süredir aktif olarak araştırılıyor, ancak bu son derece şeffaf güneş pilleri üzerinde sadece beş yıldır çalışıyoruz” dedi ve ekledi: “Nihayetinde, bu teknoloji daha önce erişilemeyen küçük ve büyük yüzeylerde ucuz, yaygın güneş enerjisinin benimsenmesi için umut verici bir yol sunuyor.”
Mevcut şeffaf güneş teknolojileri gerçekçi potansiyellerinin sadece yaklaşık üçte birine sahip olduğundan, standart silikon fotovoltaik paneller için % 15–20'ye kıyasla % 5 güç dönüşüm verimlilikleri ile hala geliştirilmeleri açısından önlerinde uzun bir yol var. Ancak, şeffaf ve yarı şeffaf güneş pilleri oluşturmak için çeşitli farklı yaklaşımlar var ve hepsi de sağlam ilerlemeler kaydediyor.
Şeffaflık bulmacası ile bir yöntem bulmak
Güneş pillerinde şeffaflığı sağlama çabaları üç ana yönteme odaklanma eğilimindedir: aralıklı opak güneş pillerini şeffaf malzemelere entegre etmek, opak malzemelerin kalınlığının ışığa izin verdiği noktaya kadar azaltılması veya kızılötesi ve ultraviyole ışığı emen, ancak görünür ışığın büyük kısmının geçmesine izin veren malzemeler kullanmak ve ayrıca Camı, camın yüzeyinden kenarlara yönlendiren malzemelerle kaplanan, güneş konsantratörleri adı verilen geleneksel fotovoltaik hücreler tarafından toplanabileceği ilgili bir yaklaşım da vardır.
Standart silikon bazlı güneş hücrelerini şeffaf malzemelere entegre etmek teknolojinin geldiği seviyeden ve ilgili üretim sürecinden yararlanır, ancak araştırmacılar iyi saydamlık elde etmenin önemli ölçüde azaltılmış enerji üretim alanına sahip olmak anlamına geldiğini belirtmektedir.
Buna karşılık, tüm alanı kaplamak için opak, ışığı emen yarı iletkenlerin ince filmleri kullanılabilir ve, araştırmacılar yüzde 14'e varan verimliliklere sahip örnekler olduğunu söylemektedir. Bu malzemeler zaten Onyx Solar ve Polysolar gibi şirketler tarafından ticarileştiriliyor.
Bununla birlikte, bu yaklaşımlar görünür ışığın sadece % 50'sinin geçmesine izin verir ve pencerelere oldukça güçlü bir renk tonu verme eğilimindedir. Bu renk, dekoratif nedenlerle renkli camın istendiği durumlarda yararlı olabilecek farklı malzemeler kullanılarak kolayca ayarlanabilir.
İnsan faktörünü hatırlamak
Bununla birlikte, araştırmacılar, renkli ışığın insanların sirkadiyen ritimleri üzerindeki etkisine, yani uyku döngülerimizi yöneten fizyolojik süreçlerin etkisi konusunda uyarıyor.
Mavi ışık, beyin tarafından uyku teşvik edici hormon melatonin üretimini bastırır ve bu da güneş ışığının şafaktaki yaydığı spektrumun mavi ucuna kayması nedeniyle uyanmamıza neden olur.
Ağırlıklı olarak mavi ışık yayan herhangi bir cam, binalar içinde uzun süre geçirenlerin fizyolojisi üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilir. Diğer renklere uzun süre maruz kalmanın başka fizyolojik ve psikolojik etkileri de olabilir, bu nedenle önemli bir renk tonu oluşturan şeffaf güneş pilleri kullanmadan önce bunun dikkatle araştırılması gerekmektedir.
Bu sorunu ortadan kaldırmanın bir yolu, görünür ışık spektrumuna müdahale etmeyen gerçekten şeffaf güneş pilleri oluşturmaktır. Spektrumun ultraviyole ve kızılötesi uçlarından ışığı seçici bir şekilde emen ve onları “görünür şekilde şeffaf” bırakan çeşitli teknolojiler var.,
Teknolojinin Karşılaştığı Zorluklar
İlerlemeye rağmen, teknolojinin karşı karşıya olduğu bir takım zorluklar vardır. Yaklaşımların çoğu küçük ölçekte iyi çalışabilir, ancak bunları ölçeklemek ve büyük ölçekte gerçekleştirmek zor olabilir. Bu genellikle fotoaktif materyalin özelliklerinden kaynaklanır, ancak üretilen elektriği taşımak için gereken şeffaf elektrotlar da daha yüksek dirençleri nedeniyle sınırlayıcı bir faktördür. İndiyum bazlı elektrotlar bu darboğazın (sınırlayıcı durumun) çözümü için ümit vaat ediyor, ancak bu element yüksek talep görüyor, bu da fiyatının uygun olmasını olumsuz etkiliyor.
Diğer bir konu, çoğu cam yüzeyin güneş ışığından enerji üretimi için en uygun şekilde konumlandırılamamasıdır, yani çoğu zaman dikey olması, kuzey veya güneye bakmasıdır. Daha yüksek ve daha düşük enlemlerde, bu faktörlerin bir yüzeyin aldığı ışık miktarı üzerinde dramatik etkileri de vardır.
Son olarak, bu teknolojilerin çoğu, ömrünü sınırlandırabilen, oksijene ve neme karşı çok hassas olan organik malzemelere dayanmaktadır. Binalara entegre edilmesi gereken sistemler için kısa ömürler gerçekten bir seçenek değildir ve şu anda çoğu teknolojinin ömrünün sadece birkaç yıl süreceği tahmin edilmektedir.
Araştırmacıların önerdiği bir diğer seçenek de, bu şeffaf güneş pillerinin pencerelerin içine laminat olarak monte edilmesidir, bu da onları her birkaç yılda bir değiştirmeyi daha az göz korkutucu bir seçenek haline getirecektir.
Potansiyeli Haritalamak
Bu zorluklara rağmen, modern dünyadaki her cam yüzeyini bir güneş paneline dönüştürmenin muazzam potansiyeli çok umut verici. Verimlilik, dayanıklılık ve ticarileştirme konusunda hala yapılması gereken çok iş var, ancak araştırmacılar, bu potansiyel yöntemin oldukça iyi bir şekilde haritalandığına dikkat çekmektedir.
Cam üreticileri zaten camlarına çeşitli kaplamalar koymak için sistemler kullanıyorlar, bu nedenle ince bir film güneş pili eklemek fazladan bir adım olmayacaktır. Ve ön deneysel çalışmalarda bile mimari camlara uygulama veya akıllı saatler ve e-okuyucular gibi düşük güçlü mobil elektronik cihazları şarj etmek için gereken performans metriklerini zaten aştı. Gerçekten de, Kickstarter’da zaten güneş enerjisiyle çalışan bir saat bile şuan tanıtılmaktadır. Tüm cihazlarımızın güneş ışığını kullanarak şarj edebileceği bir gelecek çok uzak olmayabilir…
Şeffaf, Organik Güneş Hücrelerine Bir Bakış
Nature dergisinin Şubat 2018 sayısında yayınlanan bir Michigan Üniversitesi araştırması, güneş enerjisi üretiminde önemli bir ilerleme potansiyeli olduğunu göstermektedir.
Araştırmacılar, elektronları daha önce hiç olmadığı kadar, organik güneş pilleri yapmak için kullanılan malzemelerde bile düşünülenden daha uzak bir noktaya hareket ettirebildiler.
Organik ve İnorganik Güneş Pilleri
Günümüzde kullanılan güneş panellerinin büyük çoğunluğu inorganik ve silikon bazlıdır. Daha verimlidirler (mevcut rekor % 26.6 verimlilikte, 2016'da Japonya’da ulaşıldı) ve organiklerden daha uzun bir ömre sahiptirler, ancak üretimleri de bi o kadar pahalıdır.
Organik güneş pilleri ise en yaygın olarak plastik olan polimerlerden yapılır. Bu, mevcut polimer işleme teknolojileri kullanılarak monte edilebileceği anlamına gelir, bu da onları üretmeyi ucuzlaştırır; ancak verimlilikleri inorganiklerin % 13.1'i kadar yani yarısıdır.
Başka bir deyişle, silikon esaslı bir hücrenin (pilin) enerjisini, aynı büyüklükteki polimer esaslı bir hücreden iki kat daha fazla elde edebilirsiniz. Bu talihsiz bir durumdur, çünkü daha düşük maliyetli olmanın yanı sıra organik hücreler de ince, esnek ve şeffaftır.
Bu, hemen hemen maliyet açısından göze batmayacak şekilde her şeye uygulanabileceği anlamına gelir. Örneğin, yalnızca ABD’de bulunan 5 ila 7 milyar metrekare cam yüzey alana.
Büyüleyici bir keşif, cihaz mimarisindeki yeni olasılıklara işaret ediyor
Michigan Üniversitesi‘ndeki bir araştırma ekibi, karbondan yapılmış ve aynı zamanda “Buckyballs” olarak da adlandırılan ince bir fulleren molekülü tabakasının, elektronların bir fotonla etkileştikten sonra vurdukları atomdan birkaç santimetreye kadar hareket etmelerini sağlayabildiğini keşfetti. Kulağa pek hoş gelmiyor, ancak tipik olarak organik hücrelerde birkaç yüz nanometre hareket edebilen elektronlara kıyasla inanılmaz bir artış ve gelişme.
Araştırmacılar, organik bir hücrenin güç üreten katmanına ince bir dolgun film tabakası yerleştirdikten sonra elektronların kaçmasını önlemek için ek bir katman eklediler. Elektronların, hücrenin güç üreten alanı dışında da dahil olmak üzere malzemeden serbestçe geçtiğini buldular. Fulleren tabakasının, negatif yüklü elektronların güç üreten tabakada geride kalan pozitif yüklerle birleşmesini önleyen düşük enerjili bir alan olan bir “enerji kuyusu” oluşturduğunu belirlediler.
Michigan Üniversitesi fizik bölümünde lisansüstü araştırmacı Caleb Cobourn: “Enerjiyi bir tür kanyon olarak da hayal edebilirsiniz — elektronlar içine düşer ve dışarı çıkamazlar” dedi ve ekledi: “Bu nedenle, normalde olduğu gibi, güç üreten tabakada yeniden birleşmek yerine fulleren tabakasında serbestçe hareket etmeye devam ediyorlar. Bu, cihazın herhangi bir yerinden elektron şarjı toplayabilen devasa bir anten gibi davrandığını gösterir.”
Stephen Forrest’in daha ucuz, esnek güneş pilleri için bu organik yarı iletken atılımı hakkındaki görüşlerini öğrenmek istiyorsanız aşağıdaki videoyu izleyebilirsiniz…
Güneş enerjisi bağlamındaki araştırmalar ve geliştirmeler, organik yarı iletkenlerdeki serbestçe hareket edebilen ve daha ileriye gidebilen elektronların, üreticilerin güneş hücrelerinin iletken elektrotlarını görünmez bir ızgaraya çekmesini ve sonuç olarak cam yüzeylerde kullanılabilecek şeffaf hücrelerin oluşmasını sağlamasıdır.
Araştırmaya öncülük eden Michigan mühendislik profesörü Stephen Forrest, ekibinin güneş pillerindeki keşfinin yaygın kullanımının bu noktada teorik olduğunu açıkça belirtti. Ancak, keşfin organik yarı iletkenlerin özelliklerini anlama ve kullanma konusundaki daha büyük etkilerini de altını çizdi.
Michigan Üniversitesi lisansüstü araştırmacısı Quinn Burlingame: “Bu keşif, bize organik güneş pilleri ve diğer organik yarı iletken cihazlar tasarlarken bize ilham verecek ve bir dönüm noktası olacaktır.” dedi ve ekledi: “Uzun menzilli elektron taşıma olasılığı, cihaz mimarisinde birçok yeni olanaklar sunacak”.
