Geçtiğimiz hafta Science dergisinde yayınlanan iki makalede (Chin ve ark. ve Mariotti ve ark.), tandem (çok eklemli) güneş pillerinin verimliliğini %30’un üzerine çıkaran öncü çalışmaların detayları yayınlandı.
Bugün piyasada yaygın olarak kullanılan silisyum pillerin verimliliğinin yaklaşık %27’lik bir pratik üst sınırı bulunuyor ve buna ulaşmaya birkaç yıl kadar yakınız. Küresel yeşil enerji dönüşümünde güneş pillerinden daha fazla faydalanmak ve bu dönüşüm sürecini hızlandırmak için yeni ve daha verimli teknolojiler geliştirilmesi gerekiyor. Tandem güneş pilleri, bu noktada önemli fırsatlar sunabilir.
Tandem güneş pilleri, güneş ışınlarından en yüksek seviyede faydalanmayı sağlıyor. Kırmızı ışığı daha iyi soğuran silisyum güneş pillerinin, mavi ışığı daha iyi soğuran perovskit tabanlı güneş pilleri ile birleştirilmesi sonucunda daha çok enerji üretilebiliyor. Bu sayede güneş enerjisinin daha da ucuzlaması ve yeşil enerji dönüşümünün hızlanması hedefleniyor.
Küresel güneş enerjisi kurulu gücü 2022 yılında 1.2TW’a yükselmiş olsa da, bu değer hâlâ küresel elektrik üretiminin yalnızca yaklaşık %5’ine tekabül ediyor. Uluslararası Enerji Ajansı’na göre, küresel ısınmanın etkilerini sınırlandırmak için kurulu gücün, 2030 yılına kadar her yıl %25 oranında artması şart. Tandem güneş pilleri gibi, bu dönüşümü hızlandıracak teknolojik gelişmeler büyük önem taşıyor.
Bu konuda detaylı bilgi almak üzere, tandem piller üzerine araştırmalarına Suudi Arabistan’ın Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nde (KAUST) devam eden ve %33,7’lik rekor verime ulaşan fotovoltaik aygıtlar geliştiren ekipte yer alan Dr. Erkan Aydın ile görüştük.
Geçtiğimiz hafta Science dergisi de Dr. Erkan Aydın’ın Dr. Stefaan De Wolf ile birlikte kaleme aldığı tandem güneş pilleri üzerine değerlendirmeye yer vermişti. Bahse konu yazıya bu linkten ulaşabilirsiniz.
Dr. Erkan Aydın’ın konuyla ilgili açıklamalarını aşağıda paylaşıyoruz:
Tandem güneş pilleri, devrim yaratma potansiyeline sahip
‘Perovskit-silisyum tandem güneş pillerinin geliştirilmesinin, yeşil enerjiye geçiş üzerinde önemli bir etkiye sahip olacağı tahmin ediliyor; en azından bu yoğun araştırma-geliştirme faaliyetlerinin ana motivasyonu, bu.
Silisyum güneş pilleri, oldukça verimli bir teknoloji olmakla birlikte, tek bir yarı iletken soğurucu tabakaya sahip. Tandem güneş pilleri ise birden fazla yarı iletken soğurucu tabakayı bir araya getirerek birim alandan daha fazla verim sağlayabiliyor. Bu yenilikçi güneş pilleri, %30’un üzerinde, nadiren ulaşılan verimlilik seviyelerine ulaşarak yenilenebilir elektrik üretimi için daha verimli ve uygun maliyetli bir çözüm öneriyor. Bu nedenle de güneş enerjisi endüstrisinde devrim yaratma potansiyeline sahip.’
Birçok araştırma grubu, %30 eşiğini aştı
‘Perovskit malzemelerin silisyum güneş pilleri ile birleştirilerek tandem yapısında üretilmesi ile ilgili çalışmalar 2013 yılında başladı. O günden bu yana birçok araştırma grubu, bu alanda araştırmalar yürütüyor. Geliştirilen ve bağımsız test kuruluşlarınca sertifikalandırılmış rekor verimli piller, ABD’deki Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (National Renewable Energy Laboratory, NREL) tarafından hazırlanan ve tarihsel gelişimini özetleyen grafikte, son yıllarda dikkat çeken bir ivme ile yerini almış durumda.
%30 verim değerini geçen ilk piller, İsviçre’de bulunan EPFL-CSEM (Lozan Federal Teknoloji Enstitüsü – İsviçre Elektronik ve Mikroteknoloji Merkezi) araştırma ekibi tarafından Temmuz 2022’de yayınlandı. Aynı yılın aralık ayında, Almanya’da bulunan HZB (Helmholtz Zentrum Berlin) araştırma ekibi %32,5 gibi oldukça yüksek bir verim değeri duyurdu. Bu yıl içerisinde ise, benim de ana yürütücülerinden ve araştırmacılarından olduğum KAUST ekibi olarak önce Nisan ayında %33,2, ardından da Mayıs ayında %33,7’lik rekor verim değerleri yayınladık. Bu, halihazırda rapor edilmiş en yüksek değerdir. Bu verim değerinin önümüzdeki yıllarda laboratuvar ölçeklerinde yaklaşık %37’ye kadar artırılabileceğini öngörüyoruz.
Bunların yanı sıra küresel fotovoltaik şirketlerinin de bu alanda yoğun araştırma faaliyetleri yürüttüğünü biliyoruz. Örneğin Çin merkezli Longi firması, geçtiğimiz ay Almanya’da düzenlenen Intersolar Europe fuarında %33,5’lik bir değere ulaştıklarını duyurdu.’
Ticarileşme için ölçeklendirme ve çalışma ömrü konuları da aşılmalı
‘Bu süreçte perovskit-silisyum tandem pilleri, hiçbir soru işareti bırakmayacak şekilde, yüksek verimli fotovoltaik teknolojisi olduklarını ispat ettiler. Ancak rapor edilen bu aygıtlar, henüz laboratuvar ölçeğinde. Ticarileşme açısından aşılması gereken konular, bu teknolojinin ticari boyutlarda üretim yöntemlerinin ölçeklendirilmesi ve durağanlığının bugünkü pazar standartlarına getirilmesi. Ölçeklendirme meselesi, teknolojik gelişmelerle teknik olarak aşılabilecek bir konu olarak değerlendirilirken, durağanlık, yani çalışma ömrü, yoğun araştırma gerektiriyor.
Bugün firmalar, fotovoltaik modüllere 25 yıla kadar performans garantisi sağlayabiliyor. Bu, perovskit-silisyum tandem güneş pilleri için de hedef olarak gösterilebilir. Durağanlığı anlamak için bu kadar uzun süre bekleyemeyeceğimizden, hızlandırılmış yaşlandırma testleri ve bunların açık alan testleri ile uyumunu birlikte ele almalıyız.’
Ticari ürünler 5 yıl içinde piyasaya çıkabilir
‘Bu teknolojinin ticari olarak başarı sağlaması yalnızca verim değerine bağlı değil, ancak mevcut silisyum fotovooltaik modüllerin üzerine %1 ilâ %3 oranında dahi verim artışı sağlamak yeterli olabilir. Burada önemli olan diğer konular, perovskit pil üretiminin ne kadarlık bir maliyet artışına sebep olacağı ve bu modüllerin ne kadar süre performansını koruyarak enerji üretebileceği. Bunlar halen araştırılıyor.
Perovskit-silisyum tandem güneş pillerinin başarıya ulaşması, çıkarılacak son ürünün performansına ve fotovoltaik pazarının dinamiklerine bağlı olacak. Alandaki gelişmeleri değerlendirdiğimde benim tahminim, beş yıl içerisinde ilk büyük ölçekli ticari ürünlerin piyasada olacağı yönünde.’
Dr. Erkan Aydın, doktora derecesini TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi’nden ince film güneş pili teknolojisi üzerine yaptığı çalışmalar ile almıştır. 2016 yılından bu yana doktora sonrası araştırmalarını yüksek verimli güneş pillerinin uzun güneş ışığı alma süresi ve ekstrem atmosfer koşulları ile test etmek için ideal bir lokasyon olan ve Suudi Arabistan’in Cidde kentinden bulunan KAUST (Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi) kampüsünde sürdürmektedir.
Dr. Aydın, 2020 yılından bu yana deneyimli araştırmacı olarak perovskit-silisyum tandem güneş pilleri alanında proje yönetmektedir. Dr. Aydın’ın yakın dönemdeki araştırmaları ultra verimli gerçekçi güneş pili teknolojilerinin 2030 yılına kadar 250 milyar dolar market büyüklüğüne ulaşması beklenen fotovoltaik panel marketinde yerini alması için performans iyileştirmesi, yeni malzeme ve tekniklerin keşfedilmesi, çalışma ömürlerinin uzatılması, ve endüstriyel boyutta ölçeklendirme teknikleri üzerine eğilmektedir.
Dr. Aydın 2022 yılında başvurduğu INPERSPACE Projesi ile ERC Starting Grant almaya hak kazanmıştır. Dr. Erkan Aydın ve ekibi, Avrupa’da perovskit-silisyum tandem güneş pillerinin dünyanın yeşil enerji dönüşümü için hazırlanması dışında, bu proje ile “yeni uzay çağında” ihtiyaç haline gelen yüksek verimli ancak maliyet etkin güneş pilleri geliştirecektir.
