Fotovoltaik Santraller Yazı Dizisi-17
Ek A: Yeni teknolojiler
A.1 Hücreler: gelişen teknolojiler
Yeni farklı teknolojiler araştırma ve geliştirme faaliyetlerine konu edilmektedir. Bu yeni teknolojiler, kendi ilham aldıkları konseptler temelinde iki tipolojiye ayrılabilir:
• “hassaslaşmış boya” hücreleri, organik hücreler ve inorganik-organik nano bileşiklere (DSSC) dayanan hibrit hücreleri içeren düşük maliyetli tip;
• Tek bir bağlantı noktası için solar dönüşüm verimliliğinin teorik sınırını aşabilen bazı hücreleri elde etmek için farklı yaklaşımları kapsayan yüksek verimli tip; yani konsantrasyon olmadan %31, mümkün olan maksimum
konsantrasyonda %40.8 (OSC).
Boya duyarlı güneş hücreleri (DSSC)
Boya duyarlı güneş hücreleri (DSSC – ayrıca mucitlerinin ismi Grätzel hücreleri olarak da bilinir) birbiri üzerine yatırılan aşağıdaki elemanlara sahip cam veya plastik alt tabakadan oluşur: ince bir film iletken şeffaf elektrot, yarı-iletken, titanyum dioksitin(TiO2) gözenekli bir nano- kristal katmanı, TiO2 yüzeyi üzerinde dağıtılmış boya
molekülleri (rutenyumun metal organik kompleksler), bir organik solvent ve iyodid/trioksit olarak bir redoks çiftten oluşan bir elektrolit ve de platinyum katalizörlü karşı elektrot. Geleneksel hücrelerin aksine, güneş ışığı emme ve elektrik yüklerinin üretimi, yüklerin ulaştırma fonksiyonundan ayrılmıştır. Nitekim, boya molekülleri ışığı emer ve elektron-deliği çiftleri oluşturur; elektronlar Ti02’e verilir ve temas alanına kadar taşınır; redoks çifti, arka elektrot (harici devrelerden elektronların çekildiği yer) ile iç devreyi kapatarak boyaya elde edilen elektronu sağlar.
Bu teknolojinin en büyük avantajı, düşük maliyetli işlemler ile geniş bir alana farklı malzemelerin biriktirilebilmesi ile gösterilmektedir; nitekim maliyetlerinin 0.5 €/W’ye ulaşması beklenmektedir. Bu hücre teknolojisinin etkinliği ilginç seviyelere ulaştı ve büyümeye devam ediyor: ticari uygulamalar için verimlilik %10, ancak laboratuvarlarda bu oran %12.3’e kadar ulaştı.
Ayrıca, DSSC hücreleri, zayıf aydınlatma koşullarında (örneğin, bulutlu gökyüzü) dikkate değer bir fenomen olan
rekombinasyon kayıplarına tabi olmadığından, aydınlatma azaltıldığında da işlev görürler.
İşlemi desteklemek için ihtiyaç duydukları minimum ışıma düzeyi, geleneksel silisyum hücrelerin gerektirdiğinden
daha düşüktür ve bu nedenle, iç uygulamalar için, aydınlatma tesislerinden enerji toplanması adına bunların
kullanımı tavsiye edilmiştir.
Organik güneş hücreleri (OSC)
Organik güneş hücreleri (OSC) iletken bir şeffaf elektrot (cam ya da plastik üzerine ITO), organik moleküller ya da polimerlerden oluşan bir aktif madde ve metalik bir karşı elektrottan oluşur.
OSC’de güneş ışığının emilimi ve elektrik yüklerinin serbest kalması organik madde yoluyla gerçekleşir ve bu madde, elektrotlara FV etki ile oluşturulan yüklerin taşınmasından da sorumludur.
En verimli organik hücreler (ancak sadece belli yüzdelik noktasına ulaşır), klorofil fotosentez işleminden esinlenmişlerdir: bitkisel pigment gibi orman meyvelerinden türetilen antosiyaninler gibi bileşiklerin bir karışımını
veya güneş ışınımı emilimini maksimuma çıkarmak için sentezlenen polimer ve molekülleri kullanırlar.
Öte yandan hibrit hücrelerde aktif materyal, organik moleküllerin ve de inorganik bileşiklerin nano parçacıklarının
bir karışımı olabilir (ör: karbon nanotüpler).
Organik yarı iletkenler, düşük sıcaklıklarda düşük endüstriyel maliyetle, önce sentezlenip sonra esnek alt tabakalar üzerinde bulunan büyük bir alana tatbik edilebildiklerinden dolayı, orta-uzun vadede düşük maliyetli FV santralleri üretme amacına ulaşmak için gerekli kapasiteyesahiplerdir. Şu an için bu tipolojinin ana sınırı onun dönüşüm verimliliğidir (<% 7). Ayrıca, bu cihazların stabilitesi ve yaşam süresi ile ilgili çalışmalar yapılmalıdır. Yüksek verimlilik için devam eden faaliyetler, bilhassa seri halde yerleştirilmiş çoklu cihaz üretimini amaçlamaktadır;içindeki her bir bağlantı noktası, güneş ışıması spektrumununbelirli bir aralık içinde fotojenerasyonu için belirlibir malzeme ile tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir.
Her bir bağlantı noktası, valans bandından iletim bandına elektron transferini belirlemek için farklı bir enerjiye ihtiyaç duyduğundan, güneş ışımasından daha fazla sayıda fotona sahip enerjiyi % 30’un üzerinde olan bir dönüşüm verimliliği ile kullanmak mümkündür (teorik limit %50).
En umut vadeden çözümler arasında kuantum noktalı (QD) silisyum bazlı hücreler vardır. Bu durumda, fotovoltaikmalzeme silisyum oksit, silisyum nitrür veya silisyum karbür gibi silisyum tabanlı dielektrik malzemenin bir matrisine gömülü ve neredeyse küresel şekle ve 7nm’den az çapa sahip silisyum nanokristallerden oluşur.
Noktaların boyutlarını ve yoğunluğunu kontrol ederek, solar spektrumun parçasından yararlanmak için malzemeye en uygun karakteristikleri sağlamak mümkündür. Fotovoltaikler için uygun bir malzeme, bir silisyum nitrür veya karbür matriste, yaklaşık 1 nm mesafede birkaç nm’lik çapa sahip aşağı yukarı düzenli silisyum kafes
kuantum noktasından oluşur.
Yüksek verimlilik için alternatif bir yaklaşım da güneş radyasyonunun farklı renk bileşenlerini dikroik malzemelerle ayırabilen ve onu her biri solar spektrumun bir parçasını en iyi şekilde kullanabilen, fiziksel olarak ayrı farklı hücreleregönderen konsantrasyon sistemleri kullanmaktır.
Bu yaklaşım, pahalı çok bağlantılı hücrelerin kullanımını önler ve geleneksel konsantrasyon sistemlerinde görülen FV hücrelerin sıcaklık artışı sorununu azaltır.
Günümüzde bu tür teknolojilere dayanan modüller, ilk pilot üretim hatları kuruluyor olsa bile piyasada mevcut değildir. Ticari difüzyon ile organik hücreler elde etmek için tahmini süre yaklaşık on yıldır.
Şekil A.1, kısa, orta ve uzun sürede düşünülen bu teknolojiler için pazar payı tahmini gösterir. Yeni konseptler,
gelişen teknolojilere ek olarak, ayrıca konsantre fotovoltaikleri içerir.
Bundan sonraki yazımızda "Konsantre Fotovoltaikler" anlatılacaktır.