Şeffaf Güneş Panelleri Doğrudan Pencerelere Monte Edilebiliyor
Özellikle şehirlerde büyük ölçekli güneş enerjisi kullanımının önündeki engellerden biri, iri panellerin nereye monte edileceğidir. Çatılar mı? Gökdelen duvarları mı? Yoğun kentsel merkezlerde zaten neredeyse hiç bulunmayan geniş açık alanlar mı? Singapur Nanyang Teknoloji Üniversitesi’nden (NTU) araştırmacılar, doğrudan pencerelere monte edilebilecek kadar görünmez olan güneş hücreleriyle bu sorunun bir kısmını çözmüş olabileceklerini söylüyorlar.
Ekip, insan saçından yaklaşık 10.000 kat daha ince ve geleneksel perovskit güneş hücrelerinden yaklaşık 50 kat daha ince olan, ultra ince, yarı saydam perovskit güneş hücreleri geliştirdiklerini ve bu ultra ince kategorideki cihazlar için şimdiye kadar bildirilen en yüksek verimliliklerden bazılarını koruduklarını iddia ediyor.
Yakın zamanda ACS Energy Letters’da yayınlanan çalışmaları , nihayetinde elektrik üreten pencerelerin, cam cephelerin, akıllı camların, araç tavan pencerelerinin ve şu anda güneş ışığında pasif olarak bulunan diğer yüzeylerin önünü açabilir.
Şeffaf güneş hücreleri fikri tamamen yeni değil. Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, cam ve kentsel altyapıya uyum sağlayabilen fotovoltaik sistemler yaratmak için yıllarca çalıştılar. Sorun şu ki, güneş panelleri temel olarak güneş ışığını emmek üzere tasarlanmıştır. Bir güneş hücresi ne kadar çok ışık yakalarsa, o kadar az şeffaf hale gelir.
Mevcut ticari güneş panelleri de fiziksel olarak oldukça büyük sistemlerdir ve sadece fotovoltaik malzemelerden değil, aynı zamanda kalın koruyucu camdan, kapsülleme katmanlarından, metalik kontaklardan, montaj donanımından ve yapısal çerçeveden de oluşmaktadır. Tipik konut tipi güneş panelleri her biri yaklaşık 18 ila 23 kg (40 ila 50 lb) ağırlığındadır ve ideal koşullar altında yaklaşık 350 ila 450 W güç üretir.
Modern bir ofis binası yılda kolayca birkaç gigawatt-saat elektrik tüketebilir. Şimdi, böyle bir binayı bağımsız olarak besleyecek güneş panellerinin muazzam miktarını ve ağırlığını hayal edin. Bunlar nereye monte edilebilir? Bu bağlamda, çatılar son derece küçük görünüyor. Alternatif olarak geniş açık araziler düşünülebilir, ancak birçok şehirde bu tür araziler bulunmuyor.
Peki ya duvarlar, diye soruyorsunuz? Her yerdeler ve bol miktardalar. Gökdelenlerin cam cephelerine ağır, opak paneller monte etmek, binanın görünümünü, ağırlığını ve ısı yalıtım özelliklerini kökten değiştiriyor. Ama ya duvarların ağır, hacimli veya hatta görünür olması gerekmiyorsa?
Bu sorular, NTU araştırmacılarının modern şehirlerde halihazırda hakim olan cam yüzeyleri aktif enerji üreten sistemlere dönüştürmeyi amaçlayan teknolojisinin temelini oluşturuyor.
NTU Fizik ve Matematik Bilimleri Fakültesi ve Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Fakültesi’nden Doçent Annalisa Bruno liderliğindeki ekip, perovskitleri kullanarak yeni cihazlar geliştirdi . Perovskit , potansiyel olarak düşük üretim maliyetleri, yüksek verimlilikleri ve düşük ışık koşullarında çalışabilme yetenekleri nedeniyle son on yılda güneş enerjisi araştırmalarında en gözde alanlardan biri haline gelen bir kristal malzeme sınıfıdır.
Araştırmacılar, kullanışlı fotovoltaik performansını korurken yalnızca 10 nanometre kalınlığında ultra ince perovskit soğurucu katmanlar ürettiler. Karşılaştırma yapmak gerekirse, bir insan saçı genellikle 80.000 ila 100.000 nanometre kalınlığındadır.
Doğrudan güneş ışığı altında en iyi performansı gösteren geleneksel silikon güneş pillerinin aksine, perovskit tabanlı cihazlar dolaylı veya dağınık aydınlatma koşullarında bile elektrik üretmeye devam edebilir. Bu durum, gökdelenlerin yoğun gölgeli kentsel kanyonlar oluşturduğu ve bulut örtüsünün sıklıkla doğrudan güneş ışığına maruz kalmayı azalttığı yüksek binaların bulunduğu şehirlerde özellikle önemlidir. Sadece güneşe bakan çatılara güvenmek yerine, teorik olarak tüm şehir blokları boyunca dikey cam yüzeyler gün boyunca enerji üretebilir.
Araştırmacılar birden fazla kalınlığı test ettiler. 10, 30 ve 60 nanometre kalınlığındaki perovskit katmanlarına sahip opak cihazlar sırasıyla yaklaşık %7, %11 ve %12 güç dönüşüm verimliliğine ulaştı. Öte yandan, 60 nanometre kalınlığında bir katman kullanan yarı saydam bir versiyon, görünür ışığın yaklaşık %41’inin cihazdan geçmesine izin verirken %7,6 verimliliğe ulaştı. Modern güneş panelleri %20’nin üzerinde verimliliğe ulaşıyor. Bununla birlikte, yeni perovskitin nispeten sıfır ağırlığı, düşük ışık performansı ve diğer faydalı özelliklerini göz önünde bulundurduğunuzda, bu teknoloji öne çıkıyor.
Şeffaflık ve verimlilik arasındaki bu denge, şeffaf fotovoltaiklerdeki temel mühendislik zorluklarından biridir. Bir cihaz ne kadar şeffaf olursa, o kadar az güneş ışığı emer ve dolayısıyla o kadar az elektrik üretir. NTU ekibi, sonuçlarının benzer malzemeler kullanılarak üretilen yarı saydam perovskit güneş pilleri için bildirilen en iyi performanslar arasında yer aldığını söylüyor.
Daha da önemlisi, cihazlar renk açısından nötr olarak tanımlandı; yani camları belirgin şekilde renklendirmeyecek veya cam kaplı binaların görünümünü kökten değiştirmeyeceklerdi. Araştırmacılara göre, hücrelerin şeffaflığı, üretim sırasında biriktirilen perovskit katmanlarının kalınlığının hassas bir şekilde kontrol edilmesiyle ayarlanabiliyor.
Teknolojideki asıl atılım, sadece güneş hücrelerinin inceliğinde değil, NTU ekibinin bunları nasıl ürettiğinde de yatıyor olabilir. Araştırmacılar, malzemelerin bir vakum odasında ısıtılıp buharlaşarak ultra ince bir film olarak bir yüzeye yerleştiği, endüstriyel olarak uyumlu, vakum tabanlı bir teknik olan termal buharlaştırmayı kullandılar. Ekibe göre, bu, yarı iletken ve ekran üretiminde zaten yaygın olarak kullanılan bir yaklaşım olan vakum işleme yöntemiyle tamamen üretilen ilk ultra ince perovskit güneş hücreleri olabilir.
Deneysel perovskit hücreleri için yaygın olarak kullanılan sıvı kimyasal işleme yöntemlerinin aksine, vakum tabanlı teknik, toksik çözücülerden kaçınarak ve verimliliği ve ölçeklenebilirliği olumsuz etkileyebilecek yapısal kusurları azaltarak, hassas kalınlık kontrolü ile son derece homojen, geniş alanlı filmler elde edilmesini sağlar.
Araştırmacılar, teknolojinin başarılı bir şekilde ölçeklendirilmesi durumunda, teorik olarak New York’taki One World Trade Center gibi bir kulenin cam cephesini güneş enerjisi üreten bir yüzeye dönüştürebileceğini ve yılda birkaç yüz megawatt-saat elektrik üretebileceğini, bunun da yaklaşık 40 ortalama ABD evinin yıllık elektrik ihtiyacını karşılamaya yetecek kadar olduğunu tahmin ediyor.
Bruno, “Yapılı çevre, küresel enerji tüketiminin yaklaşık yüzde 40’ını oluşturuyor; bu nedenle binaların yüzeylerini sorunsuz bir şekilde enerji üreten varlıklara dönüştüren teknolojiler giderek daha acil bir ihtiyaç haline geliyor” dedi.
Gerçeklik ise daha karmaşık.
Perovskit güneş pilleri yıllardır büyük bir heyecan yaratıyor, ancak ticarileştirme sürekli olarak önemli bir engelle karşılaşıyor: dayanıklılık. Perovskitler, nem, oksijen, ısı ve uzun süreli ultraviyole ışınlarına karşı oldukça hassastır. Laboratuvar prototipleri etkileyici verimlilikler üretebilir, ancak gerçek dünya koşullarında yıllarca performansı korumak, alanın en büyük çözülmemiş zorluklarından biri olmaya devam ediyor.
Araştırmaya dahil olmayan Cambridge Üniversitesi’nden Prof. Sam Stranks, çalışmayı umut verici olarak nitelendirdi ancak “bir sonraki kritik testlerin uzun vadeli istikrar, dayanıklılık ve daha geniş alanlardaki performans olacağını” belirtti.
Bu son nokta özellikle önemli. Laboratuvarda minik, yüksek performanslı numuneler üretmek, gökdelenler için binlerce metrekare kusursuz güneş enerjisi camı üretmekten çok farklıdır.
Yine de, dayanıklılık ve ölçeklendirme sorunları nihayetinde çözülebilirse, bunun sonuçları önemli olabilir.
Modern şehirler halihazırda, binaların içindeki soğutma yükünü artırırken aynı zamanda ışık geçirmekten başka pek bir işe yaramayan devasa miktarda camla kaplıdır. Bu yüzeylerin küçük bir kısmını bile elektrik jeneratörüne dönüştürmek, ek araziye ihtiyaç duymadan tamamen yeni dağıtılmış kentsel enerji üretim biçimleri yaratabilir.
Potansiyel uygulamalar mimarinin çok ötesine uzanıyor. NTU araştırmacıları özellikle araç camları, açılır tavanlar, giyilebilir elektronik cihazlar ve akıllı gözlükleri olası gelecekteki kullanım alanları olarak gösteriyor. Hafif, yarı saydam fotovoltaik paneller, bir gün cihazların görünür güneş hücrelerine ihtiyaç duymadan ortam ışığından sürekli olarak şarj olmasını sağlayabilir. Akıllı gözlükleri sadece takarak tüm gün şarj edebilmenin ne kadar harika olacağını hayal edin.
Araştırma ekibi, üniversitenin ticarileştirme kolu olan NTUitive aracılığıyla ultra ince perovskit film yapısı için patent başvurusunda bulundu ve şu anda termal buharlaştırma üretim sürecini doğrulamak ve standartlaştırmak için endüstri ortaklarıyla çalıştığını belirtiyor. Şimdilik teknoloji araştırma aşamasında kalıyor.
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Şeffaf Güneş Panelleri Doğrudan Pencerelere Monte Edilebiliyor
Çığır Açan Güneş Paneli Yağmur Damlalarından Da Enerji Üretiyor
/Şeffaf Güneş Panelleri Doğrudan Pencerelere Monte Edilebiliyor/