Sonsuz Ark/ Evrensel Çerçeveye Yolculuk
"Bu kristalli bileşikler ailesi, silikona alternatifler arayan araştırmaların ön saflarında yer almaktadır."
Alternative to Silicon: Why Perovskites Could Take Solar Cells to New Heights
Perovskitler, esnek ve dokulu olanlar da dahil olmak üzere çoğu yüzeye kolayca yerleştirilebilecek güneş panelleri oluşturacak büyük bir potansiyele sahiptir. Bu malzemeler aynı zamanda üretimi ucuz, hafif ve ağırlıklı olarak silikon olan günümüzün önde gelen fotovoltaik malzemeleri kadar verimli olacaktır. Muazzam potansiyelleri göz önüne alındığında, Perovskitler artan araştırmaların ve yatırımların konusudur. Bununla birlikte, potansiyellerini kullanmak isteyen şirketler, perovskite dayalı güneş pillerinin ticari olarak rekabet edebilmesi için bazı önemli engelleri aşmak zorundadır.
Perovskite Yeni Nesil Güneş Pilleri
Perovskitler, daha kolay üretim süreci, daha düşük maliyet ve daha fazla esneklik nedeniyle silikonun yerini alan yeni nesil güneş pilleri için olası platform olarak görülüyor. Bu alışılmadık, karmaşık kristal nedir ve neden bu kadar büyük bir potansiyele sahip? Kaynak: Jose-Luis Olivares ve Christine Daniloff, MIT
Fotovoltaik alemdeki diğer iki önde gelen rakip olan silikon ve kadmiyum tellür, belirli malzemelere atıfta bulunur. Öte yandan, perovskit terimi, bütün bir bileşik ailesini ifade eder. Perovskite güneş malzemeleri ailesi, 1839'da keşfedilen ve bir Rus mineralog LA Perovski'nin adını taşıyan perovskite adlı bir minerale yapısal benzerliği nedeniyle adlandırılmıştır.
Orijinal mineral perovskit olan kalsiyum titanyum oksit (CaTiO 3), kendine özgü bir kristal konfigürasyonuna sahiptir. Bileşenleri A, B ve X olarak etiketlenmiş, farklı bileşenlerin kafeslerinin iç içe geçtiği üç parçalı bir yapıya sahiptir. Perovskit ailesi, üç bileşenin her birini işgal edebilen ve orijinal perovskitin kendisine benzer bir yapı oluşturabilen birçok olası element veya molekül kombinasyonundan oluşur. (Bazı bilim adamları, kristalograflar tarafından hoş karşılanmasa da, benzer elementlere sahip diğer kristal yapıları “perovskit” olarak adlandırarak kuralları biraz büküyorlar.)
MIT'de makine mühendisliği profesörü ve Fotovoltaik Araştırma Laboratuvarı direktörü Tonio Buonassisi, "Atomları ve molekülleri bazı sınırlarla karıştırabilir ve yapıya uydurabilirsiniz. Örneğin, yapıya çok büyük bir molekülü sokmaya çalışırsanız, onu bozarsınız, 3B kristalin 2B katmanlı bir yapıya ayrılmasına veya düzenli yapıyı tamamen kaybetmesine neden olabilirsiniz” diyor. “Perovskitler, kendi maceranızı inşa eden bir kristal yapı türü gibi son derece ayarlanabilir”
Geçmeli kafeslerin bu yapısı, ikisi (A ve B) pozitif ve diğeri (X) negatif yüklü iyonlardan veya yüklü moleküllerden oluşur. Tipik olarak, A ve B iyonları, A daha büyük olmak üzere oldukça farklı boyutlardadır.
Genel perovskit kategorisi içinde, yakıt hücreleri ve metal-hava pilleri gibi katalizde ve enerji depolama ve dönüştürmede uygulamalar bulan metal oksit perovskitler de dahil olmak üzere bir dizi tip vardır. Ancak Buonassisi'ye göre, on yıldan fazla bir süredir araştırma faaliyetlerinin ana odak noktası kurşun halojenür perovskitler üzerindeydi.
Bu kategoride hâlâ çok sayıda olasılık var ve dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlar, şimdiye kadar en zorlu olan verimlilik, maliyet ve dayanıklılık açısından en iyi performansı gösteren varyasyonları bulmaya çalışmak için can sıkıcı bir çalışma içinde yarışıyorlar.
Birçok ekip, çevresel etkilerinden kaçınmak için kurşun kullanımını ortadan kaldıran varyasyonlara da odaklandı. Bununla birlikte, Buonassisi, "zaman içinde tutarlı bir şekilde, kurşun bazlı cihazların performanslarında gelişmeye devam ettiğini ve diğer kompozisyonların hiçbirinin elektronik performans açısından yaklaşmadığını" belirtiyor. Alternatifleri keşfetme çalışmaları devam ediyor, ancak şimdilik hiçbiri kurşun halinde versiyonlarıyla rekabet edemez.
Buonassisi'ye göre, perovskitlerin sunduğu en büyük avantajlardan biri, yapıdaki kusurlara karşı büyük toleranslarıdır. Elektronik cihazlarda iyi çalışması için son derece yüksek saflık gerektiren silikonun aksine, perovskitler çok sayıda kusur ve kirlilikle bile iyi çalışabilir.
Perovskitler için umut verici yeni aday bileşimler aramak, samanlıkta iğne aramaya benzer, ancak son zamanlarda araştırmacılar, bu süreci büyük ölçüde kolaylaştırabilecek bir makine öğrenimi sistemi geliştirdiler. Bu araştırmanın ortak yazarlarından Buonassisi, bu yeni yaklaşımın yeni alternatiflerin çok daha hızlı geliştirilmesine yol açabileceğini söylüyor.
Perovskitler büyük umutlar vermeye devam ederken ve birçok şirket ticari üretime başlamak için şimdiden hazırlık yapıyor olsa da, dayanıklılık karşılaştıkları en büyük engel olmaya devam ediyor. Silikon güneş panelleri 25 yıl sonra güç çıktılarının yüzde 90'ını korurken, perovskitler çok daha hızlı bozuluyor. Büyük ilerleme kaydedildi; ilk numuneler yalnızca birkaç saat, ardından haftalar veya aylar sürdü, ancak daha yeni formülasyonlar, uzun ömürlülüğün gerekli olmadığı bazı uygulamalar için uygun olan birkaç yıla kadar kullanılabilir ömürlere sahiptir.
Araştırma perspektifinden bakıldığında, Buonassisi, perovskitlerin bir avantajının laboratuvarda nispeten kolay yapılması olduğunu söylüyor; kimyasal bileşenler kolayca bir araya geliyor. Ama bu aynı zamanda onların dezavantajları: “Malzeme oda sıcaklığında çok kolay birleşiyor” diyor, “ama oda sıcaklığında da çok kolay ayrılıyor. Haydan gelen huya gidiyor!"
Bu sorunla başa çıkmak için çoğu araştırmacı, perovskiti kapsüllemek ve onu havaya ve neme maruz kalmaktan korumak için çeşitli koruyucu malzemeler kullanmaya odaklanmıştır. Ancak diğerleri, doğası gereği daha sağlam formülasyonlar veya tçözümler bulma umuduyla, bu bozulmaya yol açan kesin mekanizmaları araştırıyorlar. Önemli bir bulgu, otokataliz adı verilen bir sürecin arıza için büyük ölçüde suçlanmasıdır.
Otokatalizde, malzemenin bir kısmı bozulmaya başlar başlamaz, reaksiyon ürünleri yapının komşu kısımlarını bozmaya başlamak için katalizör görevi görüyor ve kaçak bir reaksiyon başlıyor. Organik ışık yayan diyotlar (OLED'ler) gibi diğer bazı elektronik malzemeler üzerinde yapılan ilk araştırmalarda da benzer bir problem mevcuttu ve sonunda hammaddelere ek saflaştırma adımları eklenerek çözüldü, bu nedenle benzer bir çözüm örneğin perovskitlerin durumunda da bulunabilir. Buonassisi bunu öneriyor.
Buonassisi ve ortak araştırmacıları, yakın zamanda, perovskitlerin, büyük ölçekli güneş çiftliklerinda, kullanım amaçlı silikon yerine ekonomik olarak uygun hale getirmek için yeterli olacak çok daha düşük başlangıç maliyetleri sayesinde, en az on yıllık kullanılabilir bir ömre ulaştıklarını gösteren bir çalışmayı tamamladılar.
Genel olarak, perovskitlerin gelişimindeki ilerlemenin etkileyici ve cesaret verici olduğunu söylüyor. Sadece birkaç yıllık çalışmayla, "çok daha uzun süredir var olan kadmiyum tellürürün (CdTe) hala elde etmek için mücadele ettiği" seviyelere benzer verimlilikler elde etti. "Bu yeni malzemede bu yüksek performanslara ulaşma kolaylığı neredeyse baş döndürücüydü" Verimlilikte yüzde 1'lik bir iyileşme elde etmek için harcanan araştırma süresini karşılaştırarak, perovskitlerdeki ilerlemenin CdTe'dekinden 100 ila 1000 kat daha hızlı olduğunu söylüyor. “Bu kadar heyecan verici olmasının nedenlerinden biri de bu” diyor.
David L. Chandler, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT), 20 Temmuz 2022, SciTechDaily
Mustafa Tamer, 09.11.2022, Sonsuz Ark, Çeviri, Bilim ve Teknoloji, Aklın Merdivenleri
Referans:
- Sonsuz Ark'ta yayınlanan yazılardan yazarları sorumludur.
- Sonsuz Ark linki verilerek kısmen alıntı yapılabilir.
- Sonsuz Ark yayınları Sonsuz Ark manifestosuna aykırı yayın yapan sitelerde yayınlanamaz.
- Sonsuz Ark Yayınlarının Kullanımına İlişkin Önemli Duyuru için lütfen tıklayınız.