Güneş enerjisi, yenilenebilir enerji kaynakları arasında dünyamızın geleceği için en önemli alternatif olarak yıllardır tartışılıyor, araştırılıyor.
Dyesol tarafından üretilmiş boya-duyarlı güneş hücresi
Güneş enerjisi temelde Güneş’ten gelen ışınlardaki enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmeye dayanıyor (Temeli fotoelektrik olaydır). Bunun için de güneş pilleri olarak bilinen güneş hücreleri kullanılır. Bu güneş hücrelerinin bir araya gelmesi ile de güneş panelleri oluşur. Günümüzde Güneş’ten gelen ışınlardaki enerjinin tamamı ya da en azından yarısını elektrik enerjisine dönüştüremiyoruz. Bu güneş enerjisinin önünü tıkayan büyük bir engel. Ancak bilim insanları (genelde fizikçi ve kimyacılar) bu engeli aşmak için çok sayıda girişimde bulunuyorlar, alternatif yollar öneriyorlar. Örneğin ülkemizde Doç. Dr. Hilmi Volkan Demir liderliğinde Bilkent Üniversitesi Aygıtlar ve Sensörler Grubu, nanokristaller kullanarak güneş hücrelerindeki elektrik enerjisine dönüştürme verimliliğini (enerji verimliliğini) artırmaya çalışıyorlar. Bu yazımızda ise 20 yıl önce geliştirilen bir güneş hücresi tipinin seri üretimine geçilmesindeki engelleri ortadan kaldırmaya çalışan bir grup bilim insanının çalışmasından bahsedeceğiz. Bu güneş hücresi tipi için iki büyük engel söz konusuydu ve şimdi bu engeller kaldırıldı, yeni öneriler sunuldu ve bilim dünyası tarafından da kabul gördü.
{Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma}
Universite du Quebec a Montreal (UQAM) Kimya Bölümü’nden Profesör Benoit Marsan ve onun ekibi tarafından geliştirilen iki teknoloji, güneş hücrelerinin bilimsel ve ticari geleceği haline gelebilir. Profesör Marsan verimli ve satın alınabilir güneş hücrellerinin geliştirilmesini engelleyen son yirmi yıllık iki problemi, çözümleri ile üstesinden geldi.
Onların bulguları Nature Chemistry ve Journal of the American Chemical Society (JACS) gibi iki prestijli dergi tarafından yayınlandı.
Güneş Enerjisinin Kullanılmayan Potansiyeli
Dünya bir saat içinde şu anda bir yıl içinde tükettiği tüm gezegenden daha fazla güneş enerjisi alır. Maalesef, bu muazzam potansiyele karşın güneş enerjisi zar zor kullanılabiliniyor. Silikon gibi yarıiletken malzemelerden oluşan konvensiyonel güneş hücreleri tarafından üretilen elektrik, hidrogüç, fosil yakıtlar gibi geleneksel enerji kaynaklarından 5 veya 6 kez daha pahalıdır. Yıllar boyunca, çok sayıda araştırma ekibi ucuz üretilen ve enerji verimliliğine sahip güneş hücrelerinin geliştirilmesi için girişimlerde bulundular.
Boya-Duyarlı Güneş Hücreleri
İsviçre’de Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) Profesörü Michael Graetzel tarafından 90’lı yıllarda tasarlanan en umut verici güneş hücrelerinden biri idi boya-duyarlı güneş hücreleri. Fotosentez ilkesi -karbonhidrat içine enerjiyi ışığa dönüştüren bitkilerdeki biyokimyasal süreç- üzerine temelli Graetzel güneş hücresi, titanyum dioksit beyaz pigmentin nanoparçacıklarının gözenekli katmanından oluşur. Güneş ışığını absorblayan bir moleküler boya ile kaplıdır ve bu yeşil yapraklardaki klorofile benzer. Pigment kaplı titanyum oksit, elektrik çözeltisinde daldırılmıştır ve platin bazlı katalizör paketini tamamlar.
Bir geleneksel elektrokimyasal pilde (örnek olarak alkali batarya), iki elektrodu (Graetzel hücresinde titanyum dioksit anod ve platin katod) likit iletkenin (elektrolit) her iki yanına yerleştirilir. Katod ve elektrolit boyunca güneş ışığı geçer ve titanyum dioksit anottan elektronlar çekildikten sonra, hücrenin altında bir yarıiletken. Burada elektronlar anottan katoda doğru giderler, bir elektrik akımı oluşur. Bu yolla güneşten enerji elektrik enerjisine dönüştürülür.
Bu hücrenin yapımında en çok kullanılan malzemeler düşük maliyetlidir, esnektir ve ticari olarak kolay bulunabilirdir. Ayrıca malzeme ve nesnelerin geniş çeşitlilği içine entegre edilebilmelerinde bir sıkıntı yoktur. Teoride, Graetzel güneş hücresi çok büyük olanaklara sahiptir. Maalesef, konseptin üstünlüğüne rağmen, bu hücre tipi, onun geniş ölçek (büyük kitlelere ulaşması) pazarlanmasının önüne geçen iki büyük probleme sahiptir.
- Elektrolit, a) aşırı yıpratıcı, sonuçta dayanıklılık eksikliği; b) yoğun renkli, ışığın etkin geçişi önleniyor ve c) aygıt fotovoltaj sınırı 0.7 volt.
- Katod, platin ile kaplı; bu malzeme pahalı, transparant olmayan bir malzeme ve nadir bulunuyor.
Çok sayıda girişimlere rağmen, Profesör Marsan’ın son katkısı kadar, başka biri bu probleme tatmin edici bir çözüm bulamadı.
Profesör Marsan’ın Çözümleri
Profesör Marsan ve onun ekibi, bir elektrokimyasal güneş hücresi tasarımı üzerine birkaç yıldır çalışıyor. Onun ekibinin çalışması çok yeni teknolojileri kapsıyor, bu çok sayıda patent almalarından anlaşılabilir. Graetzel güneş hücresine de uygulanabilen elektrokimyasal güneş hücresi için geliştirilen teknolojilerin ikisi :
- Elektrolit için tamamen yeni moleküller Kimya Bölümü’nden Profesör Livain Breau sayesinde laboratuvarda artan konsantrasyon ile oluşturuldu. Sonuçta oluşan yeni moleküller likit veya jel, transparant ve aşındırıcı olmayan özelliklere sahip ve ayrıca fotovoltaj artırılabilir. Böylece hücrenin çıkışı ve kararlılığı geliştirildi.
- Katod için platinin yerine kobalt sülfid konulabilir, platine göre daha az pahalı. Ayrıca o daha verimli, daha kararlı ve laboratuvarda üretilmesi kolaydır.
JACS ve Nature Chemistry yayınlarının hemen ardından Profesör Marsan’ın önerileri bilim camiası tarafından hevesle kabul edildi. Pek çok kişi onun katkısını düşük maliyetli ve verimli güneş hücreleri üretimi üzerine önemli bir araştırma buluşu olarak görüyor.
Bu çalışma, uygulamaya konulduğunda endüstriyel olarak karşılığı alınırsa ve gelecekte beklenen değişimler gözlenirse Nobel’e aday gösterilebilir hiç kuşku yok ki yıllar sonra…
Daha fazla bilgi: İlgili dergilerdeki yayınlar,
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja905970y
http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/abs/nchem.610.html
Hazırlayan: Gökhan Atmaca | KuarkMNB
Kaynak: http://www.physorg.com/news189784618.html
