Güneş Paneli Hücre Teknolojilerinin Geleceği
Güneş Paneli Hücre Teknolojilerinin Geleceği
Güneş paneli teknolojileri her geçen gün gelişiyor. Güneş enerjisi, günümüzde fosil yakıtlara alternatif olarak öne çıkan yenilenebilir kaynaklar arasında hidroelektrik ve rüzgarın ardından üçüncü sıradadır ve zirve yolunda ilerlemektedir. 1954 yılında ilk ticari Silikon (Si) güneş panelinin Bell Laboratuvarlarında üretilmesinin ardından, günümüzde silikon bazlı güneş hücreleri güneş enerjisinden elektrik üretiminde %20 üzeri verimlilik sağlar hale gelmiştir.
Peki, güneş enerjisinden elektrik üretiminde mevcut ve yakın gelecekte hayatımıza girecek yenilikçi malzeme teknolojileri nelerdir? Gelin hep birlikte güneş enerjili sistemlerin temel unsurlarından olan solar hücrelerin mevcut durumuna ve geleceğine hızlı bir bakış atalım.
Uluslararası Enerji Ajansı tarafından gerçekleştirilen pazar analizine göre, güneş enerjisinden elektrik üretimi 2019 yılı itibariyle 720 terawatt saat (TWh) düzeyindedir ve 2025 yılında 1940 TWh düzeyine ulaşması öngörülmektedir. Günümüzde güneş enerjisinden elektrik üretimi için kurulu güç dünya genellinde 592 GW düzeyindedir ve tüm kaynaklar arasından %2.2’lik bir paya sahiptir.
Güneş enerjisinden elektrik üretiminde mevcut ve yakın gelecekte hayatımıza girecek yenilikçi malzemeler nelerdir?
Tipik bir solar hücre silikon bazlı P tipi ve N tipi yarı iletken malzeme ile üretilmektedir. Piyasada yaygın kabul görmüş panellerin hemen hepsinin teknolojisi bahsekonu P tipi ve N tipi silikon hücrelere dayanmaktadır. Gelgelelim, son dönemde güneş pazarının artan hızla büyümesi sonuncunda, alternatif malzemeler için Ar-Ge çalışmaları hayata geçirilmeye başlanmıştır. Güneş enerjili sistemlerin azalan maliyetleriyle uyumlu yeni malzemeler üzerinde ciddi araştırmalar yürütülmektedir ve yakın gelecekte yaygınlık kazanmları kuvvetle muhtemeldir.
Yapılan araştırmaların odağında üç ana başlık olduğunu görüyoruz:
- Standart kristal silikonun (c-Si) yeni malzemelerle ve teknolojilerle harmanlanarak verimliliğinin artırılması çalışmaları.
- İnce esnek filmler üzerinde yürütülen çalışmalar.
- Yeni nesil perovskite solar hücrelerle (PSC) yürütülen çalışmalar.
Kristal Silikon
Güneş panellerinin yapımında en yaygın kullanılan yarı iletken malzeme Kristal silikondur (c-Si). Küresel güneş paneli pazarının %90’ı kristal silikon kullanılan panellerden oluşmaktadır. Buna karşılık verimlilikleri teorik olarak %30 düzeyinin altındadır. Verimlilikteki bu sınırlamaya karşılık, kendini kanıtlamış bir teknoloji olması ve düşen maliyetleri nedeniyle rekabetçi konumunu sürdürmektedir. Bu nedenle kristal silikona ilişkin Ar-Ge çalışmaları hız kesmeden devam etmektedir.
ABD Ulusal Yenişlenebilir Enerji Laboratuvarı (The National Renewable Energy Laboratory-NREL) III-V multijunction malzeme ve hibrid tandem III-V/Si solar hücre kullanarak %30 verimlilik sınırını aşmayı hedefleyen bir çalışma yürütmektedir. Bu çalışma kapsamında yapılan denemelerde six-junction (altı-eklemli) III-V solar hücreler ile laboratuvar şartlarında %47,1 verimlilik seviyesi yakalanabilmiştir.
Kristal silikon temelli güneş panellerindeki bir diğer yenilik ise çift-taraflı (bi-facial) güneş panelleridir. Her iki yüzünden enerji üretimi yapabilen standart bifacial güneş panellerinin standart panellere kıyasla %11 daha verimli olduğu bilinmektedir.
Lumos Solar GSX bifacial güneş paneli Kaynak: Solar Power World.
İnce Esnek Filmler (Thin Films)
İnce film güneş hücreleri (thin film güneş hücreleri) uygun boyutlu tasarımları (ışığı absorbe eden katmanları standart silikon bazlı panellerin 350’de biri boyundadır), hafifliği, esnekliği ve kolay montajı ile büyük umut vadeden PV teknolojilerinden biri olarak görülmektedir.
İnce esnek filmlerin üretiminde dört malzeme grubu öne çıkmaktadır: Kadmiyum-tellürid (CdTe), amorf silikon, bakır-indiyum-galyum-selenür (CIGS) ve galyum-arsenür (GaAs).
CdTe (Kadmiyum-tellürid) bazlı hücreler, kadmiyum nedeniyle zehirlenme riski taşıdığı için CIGS (bakır-indiyum-galyum-selenür) daha güvenli olması ve %21 seviyesini aşan verimiyle daha fazla umut vadetmektedir.
Solarion AG tarafından üretilen ince esnek CIGSe (Cu(In,Ga)(Se)2) solar hücre, Kaynak: Wikipedia.
Perovskite Solar Hücreler
Yeni nesil hücre teknolojileri arasında üzerinde en fazla araştırma yürütülen ve güneş enerjili sistemlerde devrim yaratması muhtemel teknoloji ise hibrit metal halide perovskite solar hücrelerdir. Perovskite solar hücreler düşük maliyeti, ince tasarımı, üretimde yüksek ısıya gereksinim duymaması ve ışığı yüksek seviyede absorbe edebilmesi nedeniyle popülerliğini günden güne artırmaktadır.
Perovkiste hücrelerin çıktı alma (print) yöntemiyle üretilebilmesi de araştırmaların odağı haline gelmesine ve neden olmaktadır. Diğer bir ifadeyle, ölçeklenebilir yüksek çıktılı üretime müsade etmesi perovskite hücreleri cazip kılan bir diğer etmendir. Yapılan bir araştırmada çıktı yöntemiyle üretilen perovkiste hücre ile %12,2 verimlilik düzeyi yakalanabilmiştir
Tüm bunlara rağmen, Oxford PV istisna olarak düşünülürse perovskite ürünlerin henüz ticarileşmediğinin altını çizmek gerekir. Ticarileşme safhasını henüz tamamlamamış olsa da güneş enerjili sistemler için ekonomik ve verimlilik devrimi yaratmaya aday perovskite hücre teknolojisinin yakından takip etmekte yarar var.
%28 verimli Perovskite solar hücre. Kaynak: Oxford PV
Son söz
Sözü daha fazla uzatmayalım. Bahsekonu teknolojiler pazarda daha fazla yer buldukça güneş enerjili sistemler daha verimli ve çok daha ekonomik olacaktır. Bu doğrultuda, Solaravm ekibi olarak sizlere bol güneşli ve güneş enerjili bir ömür diliyoruz.
Kaynak: https://www.prescouter.com/2020/09/current-and-upcoming-innovations-in-solar-cell-technologies/
