Almanya, bu yüzyılın başından itibaren güneş enerjisi üretiminde büyük ilerlemeler kaydetmiştir. 2000 yılında ülke elektriğinin sadece yüzde birini güneş enerjisiyle üretirken, 2022 yılında bu oran yaklaşık olarak yüzde 11’e yükselmiştir. Ev sahiplerine sağlanan karlı teşvikler ve güneş panellerinin maliyetlerini düşürmek için yapılan teknolojik ilerlemeler, bu büyümeyi desteklemiştir.
Küresel çatışmaların petrol ve doğal gaz piyasalarını daha az güvenilir hale getirmesiyle birlikte, güneş enerjisi gelecekte Almanya’nın enerji ihtiyaçlarını karşılama konusunda daha büyük bir rol oynayabilir. Güneş teknolojisi son çeyrek yüzyılda büyük bir ilerleme kaydetmiş olsa da, çağdaş güneş panellerindeki güneş hücreleri ortalama olarak sadece %22 verimlilikle çalışmaktadır.
Güneş hücrelerinin verimliliğini artırmak amacıyla, Prof. Wolf Gero Schmidt liderliğindeki bir araştırma ekibi, Paderborn Üniversitesi’nde yüksek performanslı hesaplama (HPC) kaynaklarını kullanarak bu hücrelerin ışığı elektriğe nasıl dönüştürdüğünü incelemektedir. Son zamanlarda, ekip, HLRS’nin Hawk süperbilgisayarını kullanarak belirli stratejik kusurların güneş hücrelerinde performansı nasıl artırabileceğini belirlemek için çalışmalarda bulunmuştur.
Schmidt, “Bu konudaki motivasyonumuz iki yönlüdür: Paderborn’daki enstitümüzde, optik olarak uyarılan malzemelerin mikroskopik düzeydeki dinamiklerini açıklayan bir metodoloji üzerinde bir süredir çalışıyoruz ve son yıllarda bu konuda birçok öncü makale yayımladık” dedi. “Ancak son zamanlarda, Helmholtz Zentrum Berlin’deki işbirlikçilerimizden, bu hücrelerin nasıl çalıştığını temel düzeyde anlamalarına yardımcı olmaları için bize bir soru sordular, bu yüzden metodumuzu kullanmaya ve neler yapabileceğimizi görmeye karar verdik.”
Ekip, yakın zamanda Hawk’u kullanarak, optik olarak uyarılan bir elektronun ve ardında bıraktığı elektron “deliği”nin eşleşmesi olan eksitonların, daha fazla enerjinin yakalanması için güneş hücreleri içinde nasıl kontrol edilebileceğini simüle etti. Araştırmalarında, ekip şaşırtıcı bir keşif yaptı: sisteme stratejik olarak dahil edilen belirli kusurların, eksiton transferini engellemek yerine iyileştireceğini buldu. Ekip, sonuçlarını Physical Review Letters dergisinde yayımladı.
Daha verimli enerji dönüşümü için güneş hücreleri tasarlamak
Çoğu güneş hücresi, birçok modern elektronik gibi, temel olarak silikondan yapılmaktadır. Oksijenden sonra, dünya üzerinde kütlesel olarak en yaygın ikinci kimyasal elementtir. Dünyanın yüzde 15’i, yüzde 25.8’i silikon içermekte olup, dünya kabuğunun yaklaşık olarak yüzde 15’i silikondan oluşmaktadır. İklim dostu enerji üretimi için temel malzeme dolayısıyla bol miktarda bulunur ve neredeyse her yerde mevcuttur.
Ancak, bu malzemenin güneş ışınlarını yakalama ve elektriğe dönüştürme konusunda bazı dezavantajları bulunmaktadır. Geleneksel, silikon tabanlı güneş hücrelerinde, foton adı verilen ışık parçacıkları, güneş hücresindeki mevcut elektronlara enerjilerini transfer eder. Hücre daha sonra bu uyarılmış elektronları kullanarak bir elektrik akımı oluşturur.
Sorun şudur: Yüksek enerjili fotonlar, silikon tarafından elektriğe dönüştürülebilecek enerjiden çok daha fazla enerji sağlar. Örneğin, mor ışık fotonları yaklaşık olarak 3 elektron volt (eV) enerjiye sahipken, silikon yalnızca bu enerjinin yaklaşık olarak 1.1 eV’lik kısmını elektriğe dönüştürebilir. Geri kalan enerji ısı olarak kaybedilir, bu da ek enerji yakalama fırsatını kaçırır ve güneş hücresinin performansını ve dayanıklılığını azaltır.
Son yıllarda, bilim insanları bu fazla enerjinin bir kısmını başka yollardan yakalamak veya yönlendirmek için yöntemler aramaya başladı. Birkaç yöntem araştırılırken, Schmidt’in ekibi tetracen adı verilen başka bir organik yarıiletken malzeme ile güneş hücrelerinin üst tabakası olarak kullanılmak üzere bir molekül kalınlığında bir tabaka kullanmaya odaklandı.
Silikonun aksine, tetracen bir yüksek enerjili foton aldığında, bunu singlet fission adı verilen bir süreçte iki düşük enerjili uyarılmaya ayırır. Tetracen ile silikon arasına dikkatlice tasarlanmış bir arayüz tabakası yerleştirerek, elde edilen düşük enerjili uyarılmalar tetracenden silikona aktarılabilir ve enerjilerinin çoğu elektriğe dönüştürülebilir.
Kusurlarda yarar var
Tetracen veya başka bir malzeme kullanarak geleneksel güneş hücrelerini tamamlamak için araştırmacılar, güneş hücresinin bileşenleri arasındaki mükemmel arayüzü tasarlamaya odaklandı.
Schmidt ve ekibi, güneş hücresi içindeki parçacıkların nasıl etkileştiğini ve hareket ettiğini incelemek için ab initio moleküler dinamik (AIMD) simülasyonlarını kullanmaktadır. Hawk’a erişimleri sayesinde, ekip birbirleriyle etkileşime giren birkaç yüz atom ve elektronun nasıl etkileştiğini gözlemlemek için hesaplama açısından maliyetli hesaplamalar yapabilmektedir. Ekip, AIMD simülasyonlarını femtosaniye aralıklarla zamanı ilerletmek için kullanır ve elektronların, elektron deliklerinin ve sistemin diğer atomlarının nasıl etkileşime girdiğini anlamak için bu yöntemi kullanır. Diğer araştırmacılar gibi, ekip, hesaplama yöntemini sistemin kusurlarını belirlemek ve onu geliştirmek için kullanmak istemiştir.
Mükemmel arayüz arayışı içinde, beklenmedik bir keşif yaptılar: kusurlu bir arayüzün, eksiton transferine yardımcı olabileceğini buldular. Bir atomik sistemde, tam olarak doyurulmamış, yani diğer atomlara tam olarak bağlanmamış atomlara “sarkık bağlar” denir. Araştırmacılar normalde sarkık bağların elektronik arayüzlerde verimsizliklere yol açtığını varsayarlar, ancak AIMD simülasyonlarında, ekip silikon sarkık bağlarının aslında arayüz boyunca ek eksiton transferine destek olduğunu bulmuştur.
Paderborn Üniversitesi’nden bir profesör ve projedeki işbirlikçi olan Prof. Uwe Gerstmann, “Kusur her zaman bir sistemin istenmeyen bir şeyi ima eder, ancak bizim durumumuzda bu gerçekten doğru değil” dedi. “Yarıiletken fizikte, bağışçı veya alıcılar olarak adlandırdığımız kusurları stratejik olarak kullandık ve bu kusurlar bize diyotlar ve transistörler inşa etmemize yardımcı oldu. Dolayısıyla stratejik olarak kusurlar kesinlikle yeni tür teknolojiler inşa etmemize yardımcı olabilir.”
Ekip lider yazarı olan Paderborn Üniversitesi’nden Dr. Marvin Krenz, ekibin bulgularının mevcut güneş hücresi araştırmalarıyla karşılaştırıldığında çelişkiyi ortaya koyduğunu belirtti. “Bu, bizim için ilginç bir nokta, çünkü mevcut araştırmanın yolu, her zamankinden daha mükemmel arayüzler tasarlamaya ve kusurları maliyet ne olursa olsun ortadan kaldırmaya yönelikti. Makalemiz, bu sistemleri tasarlarken farklı bir yol gösterdiği için daha geniş araştırma topluluğu için ilginç olabilir” dedi.
Bu yeni bilgiyle donanan ekip, gelecekteki hesaplama gücünü kullanarak, tam olarak kusurlu bir arayüz tasarlamayı hedefliyor. Silikon sarkık bağlarının bu eksiton transferini destekleyebileceğini bildiklerinden, AIMD’yi kullanarak geliştirilmiş eksiton transferine sahip bir arayüz tasarlamak istiyorlar. Ekip için hedef, mükemmel güneş hücresini bir gecede tasarlamak değil, sürekli olarak güneş teknolojisini daha iyi hale getirmektir.
Schmidt, “Zamanla güneş hücresi verimliliğini giderek artıracağımıza olan güvenim tam” dedi. “Son birkaç on yılda, çeşitli güneş hücresi mimarilerinde verimlilikte ortalama yıllık %1 artış gördük. Burada yaptığımız gibi çalışmalar, gelecekte daha fazla artış beklenebileceğini göstermektedir. İlkesel olarak, singlet fission’ın sürekli kullanımıyla verimlilikte 1.4 kat artış mümkündür.”
