Güneş panellerinin 65 yıllık “aşılmaz” sınırı nihayet aşılıyor
Güneş panellerinde daha fazla elektrik üretmek için ışığın yalnızca ne kadarının soğurulduğu değil, ne kadarının dışarı kaçtığı da önemli. Bilim insanları, bu kaybı azaltan optik boşluk tasarımıyla güneş hücrelerinde daha yüksek verimlilik hedefliyor.
Güneş panellerinin verimliliğini artırmaya çalışan bilim insanları, yaklaşık 65 yıldır geçerli kabul edilen önemli bir fiziksel sınırı aşmanın yeni bir yolunu bulmuş olabilir. İspanya'nın Barselona kentindeki Fotonik Bilimler Enstitüsü (ICFO) araştırmacıları, güneş hücrelerinden dışarı kaçan ışığı kontrol ederek enerji dönüşüm verimliliğini teorik olarak yüzde 43 seviyesine yaklaştırabilecek bir tasarım geliştirdi.
Bugün kullanılan ticari güneş panellerinin büyük bölümü, güneş ışığını elektrik enerjisine dönüştürmek için tek birleşimli güneş hücrelerinden yararlanıyor. Ancak 1961 yılında tanımlanan ve Shockley-Queisser sınırı olarak bilinen fiziksel kurama göre bu hücrelerin gelen güneş ışığını elektriğe dönüştürme verimliliği, belirli standart koşullar altında en fazla yüzde 33,7'ye ulaşabiliyor.
ICFO Profesörü Jordi Martorell liderliğindeki araştırma ekibinin çalışması ise bu sınırın geçerli olduğu koşulları değiştirerek daha yüksek verimlilik elde edilebileceğine işaret ediyor. Üstelik önerilen yöntem, güneş hücresinin karmaşık bir üretim sürecinden geçirilmesini gerektirmiyor.
Güneş hücresinden kaçan ışık nasıl engelleniyor?
Yeni tasarımın temelinde, güneş hücrelerinin enerji kaybetmesine neden olan bir fiziksel süreç gizli. Güneş hücresi ışığı soğurduktan sonra, enerjinin bir bölümünü yeniden fotonlar halinde dışarı yayıyor. Bu fotonlar farklı yönlere hareket ettiği için hücreden uzaklaşan ışık, elektrik enerjisine dönüştürülebilecek potansiyelin bir kısmının kaybedilmesi anlamına geliyor.
Araştırmacılar bu kaybı azaltmak amacıyla güneş hücresini özel olarak tasarlanmış bir optik boşluğa dönüştürdü. Yeni yapı, güneş ışığının hücreye girmesine izin verirken içeriden dışarı kaçabilecek ışığın geçiş alanını sınırlandırıyor.
Böylece hücrenin enerji kaybına yol açan foton yayılımını azaltmak mümkün hale geliyor. Araştırmacıların hesaplamalarına göre bu yaklaşım, tek birleşimli güneş hücrelerinde yüzde 33,7 olarak kabul edilen geleneksel teorik sınırın ötesine geçilmesini sağlayabilir.
Çalışmanın yazarlarından Dr. Francisco Bernal Texca, geliştirilen tasarım sayesinde verimliliğin yüzde 43'e yaklaşabileceğini belirtti. Texca'nın özellikle vurguladığı nokta ise yöntemin sadeliği. Araştırmacıya göre optik boşluk tasarımı, Shockley-Queisser sınırını aşmak için incelenen diğer birçok yaklaşımdan farklı olarak üretim sürecine ek bir karmaşıklık getirmiyor.
Bununla birlikte yüzde 43'lük değer, ticari bir güneş panelinde ölçülmüş gerçek bir verimlilik sonucu değil. Çalışma henüz deneysel aşamada ve önerilen tasarımın yaygın olarak kullanılan panellere uygulanabilmesi için daha fazla geliştirilmesi gerekiyor.
Bugünkü güneş panelleri neden yüzde 25 verimliliğin altında kalıyor?
Güneş enerjisi teknolojilerinde son yıllarda güvenilirliği artıran çeşitli yenilikler geliştirilmesine rağmen, mevcut panellerin büyük bölümü güneş ışığının yüzde 25'inden daha azını elektriğe dönüştürüyor. Bu durumun arkasında yalnızca Shockley-Queisser sınırı yok. Hücrelerin fiziksel özellikleri, seri üretimde kullanılan malzemelerin sınırlamaları, güneş ışığının panel yüzeyinden yansıması ve gölgelenme gibi etkenler de gerçek kullanımda elde edilen verimliliği düşürüyor.
Dolayısıyla teorik olarak yüzde 33,7 verimliliğe ulaşabilen bir hücrenin, gerçek koşullarda aynı performansı göstermesi oldukça zor. ICFO araştırmacılarının ortaya koyduğu yüzde 43'e yakın yeni teorik değer için de benzer bir durum söz konusu.
Güneş panellerinin performansını etkileyen etkenler yalnızca panelin kendisiyle sınırlı değil. Fosil yakıt kullanımından kaynaklanan hava kirliliği de güneş ışığının bir bölümünün yeryüzüne ulaşmasını engelleyebiliyor. Bu da güneş enerjisinden yararlanma potansiyelini olumsuz etkileyen başka bir unsur.
Yeni tasarım bu sorunların tamamını çözmüyor. Ancak hücrenin kendi içinde meydana gelen enerji kayıplarından birini azaltmayı hedeflemesi, mevcut verimlilik sınırlarını aşmaya yönelik farklı bir yaklaşım sunuyor.
Yüzde 43 verimlilik güneş enerjisinde neleri değiştirebilir?
Güneş panellerinde verimliliğin artması, aynı miktarda güneş ışığından daha fazla elektrik üretilebilmesi demek. Bu da enerji üretimi için gereken panel alanının ve kullanılan malzemelerin daha verimli değerlendirilmesini sağlayabilir.
Araştırmayı yöneten Profesör Jordi Martorell da yüksek verimliliğin ekonomik etkisine dikkat çekiyor. Martorell'a göre güneş hücrelerinin verimliliğini artırmak, üretilen her bir watt elektrik için gereken maliyetin düşürülmesi açısından önemli. Aynı zamanda güneş enerjisi sistemlerinin kurulacağı alanlardan ve üretimde kullanılan malzemelerden daha fazla yararlanılmasını sağlayabilir.
Eğer gelecekte ticari güneş panelleri yüzde 40 veya daha yüksek verimlilik seviyelerine ulaşabilirse aynı yüzey alanından elde edilen elektrik miktarında ciddi bir artış yaşanabilir. Böyle bir gelişme, konutlarda kullanılan güneş enerjisi sistemlerinin kapasitesini artırarak bazı evlerin elektrik şebekesinden bağımsız enerji ihtiyaçlarını karşılamasını daha ulaşılabilir hale getirebilir.
Ancak ICFO ekibinin geliştirdiği yöntemin bu sonuçlara ne zaman ulaşabileceği henüz belli değil. Araştırma, güneş hücrelerinin teorik verimlilik sınırını yükseltmeye yönelik bir yaklaşım ortaya koysa da bunun seri üretime uygun, ekonomik ve uzun ömürlü panellere dönüşmesi ayrı bir aşama.
Şimdilik çalışmanın ortaya koyduğu temel sonuç, güneş hücrelerinin verimliliğini artırmak için yalnızca daha fazla ışık soğurmaya odaklanmanın gerekmediği. Hücreden dışarı yayılan ışığın kontrol edilmesi de gelecekte daha yüksek verimliliğe ulaşmanın yollarından biri olabilir.