Uppsala Üniversitesi, CIGS güneş hücrelerinden elektrik enerjisi üretimi konusunda yeni bir dünya rekoru kırdı. Yeni dünya rekoru, %23,64 verimlilik oranıyla gerçekleşti. Ölçüm, bağımsız bir enstitü tarafından yapıldı ve sonuçlar Nature Energy dergisinde yayınlandı.
Bu rekor, First Solar European Technology Center (daha önce Evolar olarak bilinir) şirketi ile Uppsala Üniversitesi güneş hücresi araştırmacıları arasındaki işbirliği sonucunda elde edildi.
Çalışmanın sorumlusu olan Uppsala Üniversitesi Güneş Hücresi Teknolojisi Profesörü Marika Edoff, “Bu güneş hücresi ve son zamanlarda üretilen diğer güneş hücreleri için yaptığımız ölçümler, bağımsız ölçüm için hata payı içindedir. Bu ölçüm aynı zamanda kendi ölçüm yöntemlerimizin içsel kalibrasyonunda da kullanılacak” diyor.
Daha önceki dünya rekoru %23,35 ile Solar Frontier (Japonya) tarafından, ondan önce ise %22,9 ile ZSW (Almanya) tarafından elde edilmişti. Uppsala Üniversitesi daha önce de rekoru elinde tutmuştu, ilk kez Euro-CIS araştırma işbirliği kapsamında 1990’larda gerçekleşmişti.
Edoff, “Bir dönem seri bağlantılı bir prototip için de rekoru elinde tutuyorduk. Hücre rekorunu elinde tuttuğumuzdan beri uzun bir süre geçmesine rağmen, genellikle en iyi sonuçların hemen arkasında olduk ve tabii ki büyük ölçekli bir sürece ölçeklendirme potansiyeli gibi birçok ilgili yönü düşünmek gerekiyor, bu konuda her zaman öncü olduk” diyor.
Güneş hücreleri dünya genelinde hızla artıyor ve Uluslararası Enerji Ajansı’na (IEA) göre 2022 yılında güneş enerjisi dünya genelinde elektriğin sadece %6’sını oluşturdu. Güneş hücrelerinde en yaygın olarak kullanılan malzeme olan kristal silikonun en iyi güneş modülleri şu anda güneş ışığının %22’den fazlasını elektrik enerjisine dönüştürüyor ve modern güneş hücreleri hem düşük maliyetli hem de uzun vadeli olarak stabil.
Güneş hücresi araştırmalarındaki bir hedef, makul üretim maliyetleriyle %30’dan fazla verimlilik elde etmektir. Odak noktası genellikle daha verimli olan tandem güneş hücrelerine yöneliktir, ancak şu ana kadar büyük ölçekli kullanım için maliyetli olmuşlardır.
%23,64’lük dünya rekoru, Almanya’daki bağımsız enstitü Fraunhofer ISE tarafından ölçülmüştür. Bilimsel makale, güneş hücresinin malzeme ve elektriksel analizini, aynı tür güneş hücresinin diğer araştırma kurumlarındaki önceki rekorlarla karşılaştırmasını sunmaktadır.
Bir güneş hücresinin en önemli özellikleri ışığı emme ve enerjiyi elektrik yüküne taşıma yeteneğidir. Bunun başarılabilmesi için malzemenin güneş ışığının optimal bir kısmını emebilmesi ve bu enerjiyi güneş hücresi içinde ısıya dönüştürmeden boşa harcamaması gerekmektedir.
CIGS güneş hücreleri, normal pencere camından yapılmış bir cam levha üzerine çeşitli farklı katmanlarla kaplanmıştır, her biri belirli bir görevi olan. Güneş ışığını emen malzeme, bakır, indiyum, galyum ve selenid (bu yüzden CIGS kısaltması) ile gümüş ve sodyum ilaveleri içerir. Bu tabaka, gerçek güneş hücresinin, metal molibden arka teması ve şeffaf ön teması arasına yerleştirilir. Güneş hücresinin elektronları en iyi şekilde ayırabilmesi için CIGS tabakası rubidyum florür ile işlenir. İki alkali metal olan sodyum ve rubidyum arasındaki denge ve CIGS tabakasının bileşimi, dönüşüm verimliliği yani güneş spektrumunun güneş hücresinde elektrik enerjisine dönüştürülen kısmı için önemlidir.
Ölçüm enstitüleri testlerini yaparken, güneş hücresinin verimliliğini güneşin yoğunluğu ve spektrumunu taklit eden filtrelenmiş ışık kullanarak ölçerler. Ölçüm sırasında güneş hücresi kontrol edilen bir sıcaklıkta tutulur ve bağımsız enstitüler düzenli olarak birbirlerine kalibrasyon güneş hücreleri gönderirler. Dünya rekoru olarak kaydedilebilmesi için bağımsız bir ölçüm gereklidir, bu durumda ölçüm enstitüsü Fraunhofer ISE tarafından gerçekleştirilmiştir.
Edoff, “Çalışmamız, CIGS ince film teknolojisinin tek başına bir güneş hücresi olarak rekabetçi bir alternatif olduğunu göstermektedir. Teknolojinin aynı zamanda tandem güneş hücresinin alt hücresi olarak da işlev görebilecek özellikleri vardır” diyor.
Verimlilik ile güneş hücresi yapısı arasındaki ilişkiyi daha iyi anlamak için birçok gelişmiş ölçüm yöntemi kullanılmıştır: güneş hücresinden alınan malzeme, Lund’daki MAX IV tesisinde nano-XRF (X-ışını floresans spektroskopisi) ile karakterize edilmiş, dikkatli bir bileşim analizi yapılmıştır. Yüksek çözünürlüklü geçiş elektron mikroskobu (TEM), güneş hücresinin kesitlerini, hem derinlik açısından bileşimini hem de kristal tanelerinin nasıl oluşturulduğunu ve katmanlar arasındaki arayüzleri incelemek için kullanılmıştır. Fotolüminesans kullanılarak, bir lazer tarafından uyarıldıktan sonra güneş hücresi tarafından yayılan ışığın spektrumu incelenmiş ve güneş hücresinin içerideki elektronları ne kadar iyi işlediğini anlamak için kullanılmıştır. Parlak bir güneş hücresi, soluk bir şekilde parlayan bir güneş hücresinden daha az içsel ısı kaybına sahiptir. Son olarak, CIGS malzemesinin doping analizi için elektriksel ölçüm yöntemleri kullanılmıştır.
Edoff, “Dünya rekorunu şimdi elinde tutmanın hem Uppsala Üniversitesi hem de First Solar European Technology Center için büyük bir anlamı var. Yüksek güvenilirlikle bilinen CIGS teknolojisi için bir dünya rekoru, yeni uygulamalar için uygun bir alternatif sunabileceği anlamına gelir, örneğin tandem güneş hücrelerinde. Bu, dünya genelindeki araştırma meslektaşlarımız için önemlidir. Malzeme ve elektriksel özelliklerin analizlerinin performansta daha fazla iyileştirmeye temel oluşturmasını umuyoruz” diyor.