Şeffaf, Esnek Güneş Pilleri

Pencereler ve duvarlar, cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar ve daha pek çok şeyde güneş pillerinin  olduğu bir gelecek düşünün. MIT Üniversitesinde geliştirilen yeni esnek, şeffaf  güneş pilleri, bizleri geleceğe bir adım daha yaklaştırıyor.

Bu piller, düşük maliyetli organik (karbon içeren) malzemeler ile ucuz ve bol miktarda karbon kaynaklarından üretilen esnek, şeffaf bir malzeme olan grafen elektrotlarının bir araya getirilmesinden oluşuyor. Güneş teknolojisindeki bu ilerleme, çevremizdeki hassas organik maddelere zarar vermeden, bir kat daha kalın grafenin güneş hücresine biriktirilmesi yöntemiyle gerçekleştirildi. Şeffaf güneş pilleri geliştiricileri, bugüne değin, cihaz esnetildiğinde kırılmaya eğilimli pahalı, kırılgan elektrotları kullanıyorlardı. Bu kırılgan pahalı elektrotlar yerine, grafenin kullanılması; neredeyse herhangi bir yüzeyi bir elektrik enerjisi kaynağına dönüştürebilecek, gerçekten esnek, düşük maliyetli, şeffaf güneş pillerinin üretilmesini mümkün kıldı.

Birçok organik madde, güneş ışığının ultraviyole ve kızılötesi bileşenlerini emer ancak gözlerimizin görebileceği görünür kısmını geri yansıtır. Bu nedenle, organik güneş pilleri çevremizdeki yüzeylere monte edilebilir ve onları fark etmeden güneş ışığının ultraviyole ve kızılötesi bileşenlerini emerek enerji toplar.

Ancak güneş pillerinden akan elektrotlar için uygun materyal bulma konusunda önemli sorunlardan biriyle karşılaştı araştırmacılar.

Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü (EECS) Profesörü Jing Kong:  “Doğa içinde hem elektriksel olarak iletken, hem de optik olarak şeffaf olan malzemeleri bulmak çok zordur” dedi.

En çok kullanılan geçerli seçenek, indiyum kalay oksittir (ITO). ITO iletken ve şeffaftır, ancak aynı zamanda sert ve kırılgandır, bu nedenle organik güneş pilleri büküldüğünde ITO elektrotu çatlamaya ve kırılmaya eğilim göstermektedir. Ek olarak da, indiyum pahalı ve nispeten çok nadir bulunur.

ITO’ya karşılık umut verici bir alternatif olan bir atom kalınlığında tabakalarda bulunan ve dikkat çekici özelliklere sahip karbon formda bir malzeme olan GRAFENdir. Oldukça iletken, esnek, sağlam ve şeffaftır ayrıca ucuz ve her yerde bulunabilen karbondan yapılmıştır. Buna ek olarak, bir grafen elektrodu, sadece 1 nanometre kalınlıkta olabilir ki bir ITO elektrodu kadar fraksiyon ve ince organik güneş pilinin kendisi için çok daha iyi bir alternatiftir.

Grafenin Zorlukları

Birinci problem, grafen elektrodların güneş hücresine çökelmesidir. Çoğu güneş pilleri cam veya plastik gibi yüzeyler üzerine kurulmuştur. Alttaki grafen elektrot doğrudan suyun, çözücünün ve ısının bulunduğu işlemler tarafından elde edilebilen bir görevle bu alt tabakaya çöker. Diğer katmanlar daha sonra üst grafen elektrot ile ilave edilir. Ancak, bu üst elektrodu, sözde delik taşıma katmanının (HTL) yüzeyine koymak zordur.

EECS lisansüstü öğrencisi ve 2016-2017 yılları arasında Eni-MIT Enerji uzmanı ve ayrıca Kong Nanomalzemeler ve Elektronik Grubu’nun da bir üyesi olan Yi Song: “”HTL suda çözünür ve hemen altındaki organik maddeler; su, çözücüler ve ısı gibi hemen hemen hiçbir şeye duyarlı değildir, etkilenmez” diyor. Ve sonuç olarak, araştırmacılar tipik olarak en üstte bir ITO elektrot kullanmaya devam ettiler.

Sonuç olarak, elektronların hangi yoldan gideceğinin bilinmesi için her iki elektrodun da grafenden oluşturulmasıyla bunlardan herhangi birinin, akım yönüne bağlı olarak işlevinin değiştirilmesi gerekmektedir ve herhangi bir materyalin çalışma fonksiyonunun değiştirilmesi çok basit değildir.

Grafen Elektrot

Kong ve Song, son üç yıldır bu sorunları çözmek için çalışıyorlar. Alt elektrotu alt tabaka üzerine döşemek için önce bir yöntem geliştirdiler ve bunu optimize ettiler.

Bu süreçte, bakır folyo üzerinde bir yaprak grafen oluşturdular. Daha sonra Kong ve meslektaşları tarafından, 2008 yılında geliştirilen bir teknik kullanılarak, alt tabakaya aktardılar bu yaprak grafeni. Bunu destekelem için de grafen tabakasının üzerine bir polimer katmanı oluşturdular ve ardından bakır folyoyu arkasından temizlemek, sökmek için asidik bir solüsyon kullandılar. Ve durulama yapmak için de bir grafen-polimer yığını ile suya aktardılar. Ardından yüzen grafen-polimer yığınını alt tabaka ile birlikte toplayıp, ısıyla veya bir aseton durulama malzemesi kullanarak polimer tabakasını ayırdılar. Sonuç olarak, alt-tabaka üzerinde duran bir grafen elektrot oluşturmayı, başardılar.

Başlangıçta, Kong ve Song’un bu işlemi kullanarak imal ettiği elektrotlar iyi performans göstermedi. Yapılan Testler, grafen tabakasının HTL’ye (sözde delik taşıma katmanı) sıkı sıkıya bağlı olmadığını gösterdi, bu nedenle akım verimli bir şekilde akamadı. Bu sorunun bariz çözümleri de işe yaramadı. Yapıyı, grafeni yapıştıracak kadar ısıtmak, hassas organik maddelere zarar vermesi söz konusuydu. Ya da HTL üzerine bırakmadan önce grafenin altına bir miktar tutkal koymak iki tabakayı birbirine yapıştıracaktı, ancak bu yöntem de grafen ile HTL arasındaki sağlamlığı arttırmaktan ziyade, aralarında ek bir tabaka oluşturacaktı.

Song damga yapıştırıcısı kullanmaya karar verdi fakat grafenin altında bir katman oluşturacak şekilde değil tabi. Song: “Biz düşündük, bu çok yumuşak, yapışkan polimer damga yapıştırıcıyı, grafen üzerine püskürtürsek ne olur?” “Bu, delik taşıma katmanı (HTL) ile doğrudan temas içinde olmayacaktı, fakat grafen çok ince olduğu için belki de yapışkan özellikleri grafende bozulmadan kalabilecekti”. dedi.

Fikirlerini test etmek için, araştırmacılar, grafenlerin üzerine, grafenlerin tepesine doğru, damarlar içine etilen vinil asetat veya EVA tabakası kattılar. EVA tabakası, çok esnek ve ince – gıda ambalajı gibi – ve kolayca parçalanabilen bir tabakadır.  Ancak, geliştirilen polimer katmanın bir arada ayrılmadan kaldığı ve sistemin Song’un umduğu gibi çalıştığını fark ettiler: EVA film tabakası, yüzeydeki mikroskobik kaba özelliklere uyarak HTL’ye sıkıca yapışıyor ve altındaki ince grafen tabakası ile çok sıkı bağlantılıydı.

“Şanslıydık” dedi Song ve “Üst ve alt elektrodlarımızın, onları geliştirmek için yaptığımız süreçlerin bir sonucu olarak doğru işlevlere sahip olduklarını” belirti.

Elektrotları Teste Tabi Tutmak

Grafen elektrodlarının pratikte ne kadar iyi performans gösterebileceğini ortaya koymak için, araştırmacıların bunları çalışır durumdaki organik güneş pillerine dahil etmeleri gerekiyordu. Bunun içinde meslektaşları olan Teknoloji Profesörü Vladimir Bulović, ile ve Mühendislik fakültesi Dekan Yardımcısı Fariborz Maseeh (1990) ait güneş pili üretim ve test tesislerine yöneldiler.

Bu tesislerde karşılaştırma yapmak amacıyla, Grafen, ITO ve alüminyumdan yapılmış elektrotlara sahip, katı cam yüzeyler üzerine bir dizi güneş pili oluşturuldu. Yeni esnek grafen güneş pilleri ile standart katı ITO / grafen pillerinin akım yoğunlukları ve güç dönüştürme verimliliği birbirine benzerdi fakat alüminyum elektrotlu pillerin daha düşüktü, ancak bu da onların beklediği bir durumdu.

Tüm grafen güneş pilleri için PCE’ler – sert cam yüzeylerde ve esnek yüzeylerde – yüzde 2,8 ila yüzde 4,1 arasında değişiyor. Bu değerler mevcut ticari güneş panellerinin PCE’lerinin çok altında iken, araştırmacılar, tüm grafen elektrotlu yarı saydam piller içeren daha önceki çalışmalarda elde edilen PCE’ler üzerinde önemli bir gelişme olduğunu söylüyorlar.

Grafen güneş pillerinin şeffaflık ölçümleri çok sevindirici sonuçlar ortaya koydu. İnsan gözü, yaklaşık 400 nanometre ve 700 nanometre arasındaki dalga boylarında ışığı algılayabilir. Tüm grafen piller, görünür dalga boyunca % 61, 550 nanometrede ise % 69’a kadar optik geçirgenlik gösterdi.

“Optik geçirgenlik açısından bu değerler, şeffaf güneş pilleri için literatürdeki benzer güç dönüşüm verimliliği oranlarına sahip en yüksek değerler arasındadır” dedi Kong.

Esnek Alt Tabakaların Bükülme Davranışı

Bu çok yönlülüğü göstermek için, grafen cihazları plastik, opak kağıt ve yarı saydam kapton bant dahil esnek alt tabakalara koydular. Ölçümler, cihazların performansının üç esnek yüzey üzerinde aşağı yukarı eşit olduğunu ve muhtemelen cam yüzeylerde olduğundan daha düşük olduğunu gösterdi çünkü muhtemelen yüzeyler daha pürüzlüydü ve temas açısından daha kötü bir performansa sahipti.

Güneş pilinin herhangi bir yüzeye yerleştirilmesi, dünya çapında hızla büyüyen bir alan olan tüketici elektroniği açısından umut vericidir. Örneğin, güneş pilleri, cep telefonlarında ve diz üstü bilgisayarlarda, ayrı olarak üretilmeden ve daha sonra kurulduktan sonra, imalat maliyetlerini önemli ölçüde düşürecek bir şekilde imal edilebilecekler. Ayrıca soyma ve yapışmalı güneş pilleri ve kağıt elektroniği gibi gelecek cihazlar için de uygundurlar. Bu cihazlar kaçınılmaz olarak bükülüp katlanacaklarından, araştırmacılar örneklerini aynı muameleye tabi tutmuşlardır. ITO elektrotlu olanlar da dahil olmak üzere tüm cihazları tekrar tekrar katlanabilirken, grafen elektrotlu olanlar, çıkışları düşmeden önce daha sıkı bükülebilirler. ITO elektrodları da dahil olmak üzere tüm piller tekrar tekrar katlanabilirken, grafen elektrotlu olanlar, çıkışları düşmeye başlamadan önce daha sıkı bükülebilirler.

Gelecek Hedefleri

Araştırmacılar şimdi şeffaflıktan vazgeçmeden, grafen bazlı organik güneş pillerinin verimliliğini artırmaya çalışıyorlar. (Etkin alan miktarını artırmak PCE’yi yukarı çekecek, ancak şeffaflık düşecektir.) Araştırmacıların hesaplamalarına göre mevcut şeffaflık düzeyinde ulaşılabilir maksimum teorik PCE yüzde 10’dur.

“En iyi PCE’lerimiz yaklaşık % 4, bu yüzden hala gidilecek yolumuz var” diyor Song.

Ayrıca şu anda, güneş pillerini, insan gözüne hemen hemen hiç görünmeyecek şekilde nasıl üretebileceklerini ve tüm pencere ve duvarları kaplamak için gerekli olan geniş alanlı cihazlara nasıl en iyi şekilde uygulayacaklarını düşünüyorlar.

KAYNAK: MIT News