Güneş panellerinin verimliliğini artırmak için bugüne kadar pek çok farklı yöntem geliştirildi. Ancak güneş hücrelerinin ışığı elektriğe dönüştürme kapasitesi, yalnızca kullanılan malzemelerle değil, fiziksel süreçlerden kaynaklanan kayıplarla da sınırlanıyor. Tek eklemli güneş hücreleri için teorik verimlilik sınırının (Shockley-Queisser sınırı) yaklaşık %33 olduğu kabul ediliyor. Ancak bilim insanları bu sınırı aşabilecek yeni yaklaşımlar üzerinde çalışıyor. İspanya’daki Fotonik Bilimler Enstitüsü (ICFO) araştırmacıları da bu doğrultuda, güneş hücrelerinin ışık yayma açısını kontrol ederek enerji kayıplarını azaltan yeni bir optik yapı geliştirdi. Organik bir güneş hücresi üzerinde test edilen bu yöntem, teorik olarak verimliliğin %43’e kadar çıkmasının önünü açıyor. Güneş Hücrelerinde Enerji Kaybını Azaltmak İçin Işık Yayma Açısı Kontrol Ediliyor
Güneş hücrelerinin verimliliğini sınırlayan etkenlerden biri, Boltzmann kayıpları olarak adlandırılan fiziksel süreçler. Güneş ışığı, Dünya’ya çok uzak bir kaynaktan geldiği için güneş hücrelerine görece dar bir açı aralığından ulaşıyor. Buna karşılık hücreler, soğurdukları enerjinin bir bölümünü fotonlar aracılığıyla çok daha geniş bir açı aralığına yayabiliyor. Bu iki süreç arasındaki fark, fotonların yayılmasıyla ilişkili entropiyi artırıyor. Bu da kullanılabilir enerjinin bir bölümünün kaybedilmesine ve hücrenin üretebileceği maksimum gerilimin düşmesine neden oluyor. Neticede cihazın elektrik enerjisine dönüştürebildiği güneş ışığı miktarı sınırlanmış oluyor.
ICFO araştırmacıları, bu kaybı azaltmak için güneş hücresinden yayılan fotonların yönünü kontrol etmeye odaklandı. Bu amaç doğrultusunda, fotonların geniş açılarda yayılmasını baskılayan bir optik rezonans boşluğu kullanıldı. Böylece hücrenin ışık yayma açısının, güneş ışığının geliş açısına daha yakın bir aralıkta tutulması amaçlandı.
Araştırmacılar, geliştirdikleri yaklaşımı PM6 bazlı bir karışım kullanan ters mimarili organik güneş hücresi üzerinde test etti. Yeni tasarımın merkezinde, hücrenin iki tarafına yerleştirilen gümüş elektrotlarla ve aradaki katmanlarla oluşturulan bir optik boşluk bulunuyor. Yapının ön tarafındaki gümüş elektrot, yüksek açılarla yayılan ışığı güçlü biçimde yansıtarak bu fotonların hücreden kaçmasını engelliyor. Arka taraftaki gümüş elektrot ve ara katmanlar da bu optik yapının bir parçası olarak çalışıyor. Böylece hücre, geniş açılarda foton yayımını baskılarken güneş ışığının geliş doğrultusunda yüksek geçirgenlik sağlayacak şekilde tasarlanıyor. Buradaki temel nokta, güneş hücresinin ışığı soğurma kabiliyetini korurken dışarıya ışık yaydığı açıları sınırlandırmak. Çünkü foton yayımını tamamen engellemek, güneş hücresinin çalışma prensibiyle bağdaşmıyor. Bu yüzden foton yayımını engellemek yerine, yayım biçiminin kontrol edilmesine öncelik veriliyor.
Güneş Hücrelerinde Verimlilik %43’e Ulaşabilir
İspanya’dan gelen bu çalışma, güneş hücrelerinin geleneksel teorik verimlilik sınırının aşılmasına yönelik umut verici bir yaklaşım sunuyor. Araştırmacıların hesaplamalarına göre ışık yayımının açısal aralığı yeterince daraltılabilirse, tek eklemli güneş hücrelerinin teorik verimliliği %43’e yaklaşabilir. Ancak bu rakamın, mevcut güneş panellerinde elde edilmiş bir verimlilik sonucu değil, söz konusu fiziksel yaklaşımın potansiyelini gösteren teorik bir değer olduğunu belirtmekte fayda var.
Araştırmanın bir diğer önemli yönü de geliştirilen yapının üretim süreçlerini karmaşıklaştırmadan güneş hücrelerine entegre edilebilecek şekilde tasarlanması. Deneylerde organik bir güneş hücresi kullanılmış olsa da araştırmacılar, aynı yaklaşımın farklı güneş hücresi teknolojilerine de uyarlanabileceğini düşünüyor.
Elbette teorik verimlilik sınırına yönelik hesaplamalar ile ticari ürünlerde elde edilebilecek sonuçlar arasında fark bulunuyor. Yöntemin farklı malzemelerde ne ölçüde etkili olacağı, gerçek çalışma koşullarında ne kadar verimlilik artışı sağlayacağı ve seri üretime nasıl uyarlanacağı gibi soruların yanıtlanması gerekiyor. Ancak ortaya çıkan ilk sonuçlar oldukça umut verici.
