Amerika Birleşik Devletleri’nden fizikçiler ultraince güneş hücrelerin özelliklerini hesaplayabildikleri yeni bir teorik teknik geliştirdiler. Onların bu yeni yöntemi aygıtların performansını başka açılardan negatif etkileyebilen istenmeyen durumların olduğu böyle güneş hücreleri tarafından emilen ışığın miktarını artıran bir tasarım önermektedir. Bu araştırma grubu hâlen bu tekniği geliştirmektedir, yani bu ultraince güneş hücrelerinin tasarımını yapmak amacıyla nümerik hesaplama araçlarını kullanarak daha iyi bir teknik yöntemi geliştirmeyi sürdürüyorlar.
Ultraince güneş hücreleri onların daha kalın emsallerinden iki önemli avantaja sahiptir: bu güneş hücrelerinin yapımında daha az malzeme kullanılmakta ve diğer avantaj ise ultraince bir yapı söz konusu olduğundan ışık sayesinde serbest kalan elektron ve deşikler çok da uzağa hareket edemeden, elektron ve deşikler rekombine olduklarında (birleştiklerinde) kayıpları azalmış olur.
Bu tür yapılar, metalik bir yüzey üzerinde elektron yoğunluğundaki salınımlar, yüzey plazmonları ile ışığın etkileşmesi gibi yakın alan optik etkilerinin avantajına sahiptirler. Ne yazık ki, böyle yakın alan etkileri hücre içinde elektron ve deşiklerin rekombine oranını da etkileyebilir, böyle bir durumda da güneş hücresinin performansı azalabilir. Bu yakın alan optik etkilerin elektron ve deşiklerin rekombine oranına olan etkisinden yola çıkarak bu yeni nesil ultraince güneş pillerin verimliliği yazının başında geliştirildiğinden bahsettiğim teorik teknik sayesinde daha gelişmiş bir biçimde ortaya kondu.
Ultraince güneş hücrelerinde ışığın emilmesi görece iyi anlaşılırken, elektron-deşik rekombinasyonu üzerine yakın alan optiğin etkileri o kadar değildir. Şimdi, California Üniversitesi’nde Avi Niv ve çalışma arkadaşları olağanüstü ince aygıtlara uygulanabildiğini söyledikleri yeni teknikleri ile güneş pillerindeki verimlilikleri değerlendirmenin yeni bir yolunu keşfettiler. Bu teknik, termal dengedeki bir sistem ile denge dışındaki bir sistem arasındaki bağlantıyı kuran “dalgalanma-dağılma teoremi”nin avantajlarından yararlanmaktadır.
Bir güneş hücresi/güneş pili için denge durumundaki sistem foton emilmesi ve yayılmasını kapsayan belirli sayıda bir işlemi içerir. Bir güneş hücresinin verimliliğini hesaplamak için fizikçiler hem elektron-deşik çiftlerin oluşma oranı olan fotoakımı hem de elektron-deşik çiftlerinin fotona dönüşme oranı olan rekombinasyon akımını bilmelidirler. Rekombinasyon akımına görece daha büyük fotoakım, daha iyi güneş hücresi/güneş pili demektir.
Niv ve çalışma arkadaşları bir ultraince güneş pilinin gerilime, akıma ve verimliliğine bağlı anahtar aygıt parametrelerini sıcaklık ve kimyasal potansiyel gibi termodinamik değişkenlerini bu “dalgalanma-dağılma” teoremi içerisinde rekombinasyon ifadelerini de içine kattıkları bir teorik çerçevede hesapladılar. Onların tasarladıkları ultra ince güneş pili yapısı bir altın alttaş üzerine büyütülen yarıiletken galyum arsenik (GaAs) malzemesinin ultraince katmanından oluşmaktadır. Güneş piline ışık girer ve ışık güneş pilinin aktif bölgesi boyunca başka bir geçiş olarak emilmeyen ışık altından geri yansır. Araştırma grubu bu sırada olabilecek dört yayılma kanalını tanımladılar – hava için geri yayılan ışık ve altın içine yayılan ışık, her biri iki farklı polarizasyonla meydana gelebilir. Yani böylelikle bahsettikleri dört yayılma kanalı bu şekilde tanımlanmaktadır.
0-300 nm aralığında güneş pili kalınlıkları için araştırma grubu yayılmayı hesapladılar ve kalınlığın fonksiyonu olarak yayılmadaki değişimi buldular. Özellikle, hesaplamar altın alttaş içine paralel-polarize ışığın yayılmasında geniş bir pikin olacağını gösterdi – yakın alan etkilerinin açık bir izi olarak da bunu araştırma grubu tanımlamaktadır.
Niv’e göre, bu araştırmaları hücre/pil içindeki nanoyapıların kullanılmasını ışığın emilmesini artırdığı gibi ışığın yayılmasına da etkisi olacağını göstermekte ve bu her iki etkinin güneş pili tasarımında ayrıntılı olarak verimliliğinin belirlenmesi amacıyla düşünülmesi gerektiğini ifade ediyor.
Gökhan Atmaca, MSc – facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynak:
http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/oct/03/new-theory-describes-ultrathin-solar-cells