Küresel ısınmanın ve küresel iklim değişikliğinin giderek etkisini gösterdiği bir dünyada, yenilenebilir enerji kaynakları arasında en büyük umutlarımızın olduğu bir enerji kaynağıdır güneş enerjisi. Diğer enerji kaynaklarına nazaran daha temiz (en azından kullanılırken doğayı kirletmiyor yoksa güneş pili yapımında kullanılan malzemelere göre “temiz” kavramı farklılaşabilir), daha çevreci olabilir ama daha pahalı ve verimi oldukça az. Daha ucuz ve daha yüksek verimli bir şekilde eğer güneş enerjisi kullanımı yaygınlaşırsa kuşkusuz fosil yakıtlardan arınmış bir dünya daha iyi bir dünya olabilir.
Image: Shutterstock/motorolka
Güneş enerjisinden elektrik enerjisi olarak yararlanmanın en bilinen yolu ise güneş pilleri veya başka bir adıyla güneş hücreleridir. Bu güneş pilleri geleneksel bir şekilde yarıiletken malzemelerden yapılmaktadır. Son birkaç on yıl içerisinde güneş pillerinin teknolojik gelişmesinde çok büyük ilerlemeler kat edilmiş olsa da ne yazık ki hâlâ çok yüksek maliyetlerde ve düşük verimlilikte üretilmektedir. Son zamanlarda nanoteknoloji ile kazanılan bir ivmenin olduğunu da söyleyebiliriz. Daha ucuz ve daha yüksek verimliliğe sahip güneş pillerinin seri bir şekilde üretileceğine dair umut vaat edici çalışmalar yapılmakta. Bu yazımızda da nanoteknolojinin etkisiyle güneş pillerinin geleceği nasıl şekilleneceğini ele alacağız.
Nanoteknoloji güneş pillerini nasıl geliştirir?
Güneş pillerinin üretiminde nanoparçacıkların kullanılması şu yararları sağlar:
- Kristal yarıiletken malzemelerle yapılan geleneksel pillerin üretilmesinde kullanılan yüksek sıcaklık vakum biriktirme sürecinin yerine baskı benzeri bir düşük sıcaklık sürecinin sonucu olarak üretim maliyetleri indirgenir.
- Sert kristal panellerin yerine esnek rulo panellerin üretilmesi ile kurulum maliyetlerinin azaltılması sağlanabilir.
- Günümüzde de mevcut olan nanoteknoloji güneş pilleri geleneksel olanlar kadar etkili değildir. Ancak onların düşük maliyetleri de bunu dengelemektedir. Uzun vadede nanoteknoloji güneş pilleri hem düşük maliyet hem de kuantum noktaların kullanılmasıyla geleneksel olanlardan daha yüksek verimlilik seviyelerine ulaşması mümkün olabilir.
Güneş Pilleri: Gelişmekte Olan Nanoteknoloji Uygulamaları
Yazımızın bu kısmında nanoteknolojinin getirdiği yeni teknikler ve son zamanlarda keşfedilen malzemelerin güneş pili yapımı için olası etkilerini içeren bir takım çalışmalara yer veriyorum. Her bir çalışma için bir bağlantı adresi verdim, çalışmaların ayrıntılarına bu bağlantı adreslerinden ulaşabilirsiniz.
Michigan Teknoloji Üniversitesi’nden araştırmacılar lityum karbonatla ayrı tutulan grafen düzlemleri geliştirdiler. Araştırmacılar bir boya duyarlı güneş pilinde platin yerine bu “3 boyutlu grafeni” kullandılar ve güneş ışığının yüzde 7.8’inin elektriğe dönüşmesini başardılar.
MIT’de araştırmacılar molibden diselenide gibi malzemeler ve grafenin tek molekül kalınlığındaki düzlemlerinden güneş hücreleri yapmaya çalışıyorlar. Bu araştırmacılar bu tür güneş pillerinin geleneksel güneş hücrelerine göre 1000 kat daha fazla enerji üreteceğini tahmin ettiler. Bu tahminleri güneş hücreleri üzerine çalışan bir bilgisayar modellemesine dayanıyor.
MIT’de araştırmacılar grafen kaplı çinko oksit nanoteller kullanarak bir güneş pili geliştirdiler. Araştırmacılar bu yöntemin yeterince yüksek verilimlilikte düşük maliyetli esnek ve rekabetçi güneş pillerinin üretilmesine olanak tanıyacağına inanıyorlar.
Araştırmacılar altın nanoparçacıklar üzerine yarıiletken nanoteller büyütmek için Aerotaksi adlı bir yöntem kullanıyorlar. Araştırmacıların planladıkları bir alttaş üzerine nanotelleri hizalamak için kendiliğinden montaj teknikleri kullanarak bir güneş pili veya diğer elektriksel aygıtlar oluşturulabilir. Geleneksel yarıiletken temelli güneş hücrelerinde silikon alttaş yerine altın nanoparçacıklar inşa edilebilir.
Princeton Üniversitesi’nde araştırmacılar ışık yansıması nedeniyle kayıpları ortadan kaldıran bir güneş pili geliştirdiler. Araştırmacılar ışığın dalgaboyundan daha ince etkin bir katman ile birlikte 30 nanometre kalınlıkta altın nanomesh (175 nanometre çaplı deliklerin düzenli bir desenli katman) kullandılar. Onlar bu kombinasyonu güneş hücresinde ışığın çoğunu tuzakladığını buldular. Bu tuzaklama da elbette ki, güneş pillerinin verimliliğini artırma konusunda katkı sağlayacaktır.
Duke Üniversitesi’nde araştırmacılar ışığın yansıması nedeniyle oluşan kayıpları azaltmak için başka bir yöntem geliştirdiler. Bu yöntemde ince bir altın katman üzerinde gümüş nanoküplerin kombinasyonu yansımadan doğan kayıpları azaltmaktadır.
Niels Bohr Enstitüsü’nden bilim insanları güneş ışığının bir rezonans etkisinden dolayı nanotellerde yoğunlaşmış olabileceğini belirlediler. Bu etki daha verimli güneş hücreleriyle sonuçlanabilir çünkü Güneş’ten gelen enerjinin daha fazla bir şekilde elektriğe dönüşmesine olanak sağlayabilir.
Hidrojen üretmek için ucuz bir güneş pili tasarlamak demir oksit nanoparçacıkların kullanılması ile gelişmekte olan bir uygulamadır.
Kızıl ötesi ışığı absorbe eden gümüş nanoteller, titanyum dioksit nanoparçacıkları ve bir polimerin kombinasyonu görünür ışığın %70’ine şeffaf olan bir güneş pili yapmak için kullanılabilir. Bu da özellikle pencerelerde güneş pillerinin kullanılmasına olanak sağlar. Bu çalışma hakkında daha önce yayınladığımız haberi de inceleyebilirsiniz: Elektrik Üreten Pencereler İçin Şeffaf Güneş Pilleri
Titanyum dioksit nanotüpler bir polimer ile doldurulduklarında düşük maliyetli güneş pilleri yapılabilir.
Titanyum dioksit ile kurşun selenid kuantum noktalarının kombinasyonu çok yüksek verimliliğe sahip güneş pillerini yapmak için kullanılabilirler.
Karbon nanotüpler ve buckytopların kombinasyonu ile de güneş pilleri üretilir. Bazı araştırmacılar bir polimer ile nanotüpler ve buckytopları kombine ettiler, başka bir grup da sadece nanotüpler ve buckytopları kullandılar. Bir üçüncü grup da grafen ile birlikte nanotüpler ve buckytopları kullanarak bir güneş hücresi yapmaya çalışmışlar. Görülüyor ki araştırmacılar malzemelerin birbirleri ile olan etkileşmelerine dayanarak daha verimli ve daha ucuz güneş pilleri yapmanın peşindeler. Kimi çabalar ise ne yazık ki umulduğu gibi olmuyor.
Stanford Üniversitesi’nde araştırmacılar organik güneş hücrelerinde ışığı tuzaklamanın bir yolunu buldular. Düşünceleri güneş pilinde daha uzun süre ışığı tutmak ve daha fazla elektronu üretmek şeklinde. Araştırmacılar ışığın dalgaboyundan daha ince olan organik bir katman yaparak bir ayna katman ve bir sert tabaka arasında sandviçlenen organik katman güneş hücresinde ışığın daha uzun süre kalmasını ve elektronların daha fazla uyarılmasını sağladığını buldular.
Bu yazı içerisine eklenip hakkında söz edilecek aslında çok sayıda çalışma var ama benim özetlemek istediğim çalışmalar bu kadardı. Güneş pillerinin ya da güneş hücrelerinin gelişiminde görünen o ki nanoteknolojinin etkisiyle kullanılabilecek ya da uygulanabilecek malzeme ve yöntem yelpazesi oldukça genişlemiş. Güneş pilleri üzerine araştırmalar yapan insanlar ya da bu teknolojiyi ticari olarak geliştirmek isteyen şirketlerin bu çalışmaların hızını yakalayabilmesi ve bu çalışmalardan daha yenilikçi olması gerektiği de şu yazı içerisinde açıkça görülmektedir. Bu yeniliği yakalayabilen şirketlerden birkaçını kullandıkları malzemeleriyle beraber aşağıda veriyorum, ilgili olan okuyucularımız bu şirketlerin web sayfalarını da ziyaret edebilirler.
Bakır-İndiyum-Diselenid yarıiletken mürekkep kullanan Nanosolar’ın web sayfası: http://www.nanosolar.com/
Organik güneş hücreleri üzerine çalışan Global Photonics’in web sayfası:http://www.globalphotonic.com
İnce bir film malzeme üzerine büyütülen “nano-kablolar” kullanan Bloo Solar’ın web sayfası: http://www.bloosolar.com/
Bir ince film malzemeye gömülü nanokristallerle güneş pili geliştirmeye çalışan EnSol’un web sayfası: http://www.ensol.no/r&d.htm
Plastik güneş pillerinde nanoparçacıkları kullanan Solarmer Energy’in web sayfası: http://www.solarmer.com/
Bu yazıdan özetle bazı sonuçlar çıkarabiliriz. Bilim insanları artık nanoteknolojinin de katkısıyla daha ucuz maliyete sahip ve daha yüksek verimliliğe sahip güneş pilleri üretmeyi hedefliyorlar. Bu sırada uygulamaya çalıştıkları farklı yöntemleri şöyle sıralayabiliriz:
- Yeni geliştirilen malzemelerle birlikte bu malzemelerin birbirleriyle olan etkileşmelerinin göz önünde bulundurulmasıyla ikili veya üçlü gruplar halinde bu malzemeler arasında kombinasyonlar deniyorlar.
- Güneş pili yapımında kullanılan yarıiletken malzemelere nanoparçacık ya da nanokristalleri katkılıyorlar. Aralarından bazı çalışmalar, bu yarıiletken malzemelerin yerine nanokristallerin eklenmesine kadar varmış.
- Işığı daha uzun sürede ve daha fazla tuzaklamanın yolunu da arıyorlar. Böylece daha fazla elektronun uyarılmasını ve güneş pilinin verimliliğini artırmayı hedefliyorlar.
- Işığın yansıması ile ilgili kayıpların da önüne geçmek isteniliyor.
- Güneş pili elde etme süreçlerini ya da yöntemlerini değiştiriyorlar. Bununla ilgili çalışmalara yer vermesem de, bu tarz çalışmalar var. Çünkü nanoteknolojideki gelişmelere paralel olarak malzeme büyütme teknikleri de gelişti.
- Karbon temelli nanomalzemelere de özel bir ilgi var, grafen, karbon nanotüpler gibi…
Yarıiletken fiziğinin veya mühendisliğinin bir konusu olan güneş pilleri artık nanoteknolojideki gelişmelerle istenilen noktaya varabilir. Yaşanabilir ve sürdürülebilir bir dünya için güneş enerjisine gereksinimimiz düşünüldüğünde bu yönde olumlu çalışmaların olduğunu söylemek mümkün.
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca | facebook.com/anadoluca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynak:
http://www.understandingnano.com/solarcells.html
