Yıllardır polimer tabanlı organik fotovoltaik güneş panellerinde, ticari uygulamalrda da sınır olarak kabul edilen %10 verimliliğe çıkmak üzere araştırmalar yapılıyordu. Şimdi, Guangzhou’da Güney Çin Teknoloji Üniversitesi’nde geliştirilen ters çevrilmiş organik fotovoltaik panelle %9.3 verimlilik belgelendi. Bu seviye, bir önceki en yüksek seviye olan %8.37’ye göre ciddi bir ilerleme. Bu sonucun, %10 hedefine ulaşmak üzere yapılan çalışmaları da hızlandırması bekleniyor. Araştırma ekibi, ürünün ticarileştirmesi konusunda Houstan merkezli Philips 66, Solarmer ve Kaliforniya’daki fotovoltaik şirketi El Monte ile birlikte çalışıyor.
Güney Çin Teknoloji Üniversitesi profesörlerinden Hongbin Wu, “Bana göre seri imalat için %10 verimlilik gerekli değil; gelişmekte olan fotovoltaik teknolojisi için %5-8 verim, yeterince iyi bir verim seviyesidir. %10 seviyesi ise organik elektronik çevrelerinde yaygın şekilde kabul edilen bir rakamdır. Ancak organik fotovoltaik hücreler, yani OPV’ler son derece düşük maliyetlerle üretilebildiğinden, daha düşük güç dönüştürme verimliliği de kabul edilebilir.” diyor.
Silikon güneş panelleri %20’nin üzerine tırmanan verimliliğe sahip olsalar da maliyetlerinden dolayı, OPV’ler, pazardaki rekabetçi seviyelerini koruyorlar. Ancak plastik tabanlı OPV’lerin daha önemli bir problemi, kısa kullanım ömrüne neden olan düşük kararlılık seviyeleri. Bu problem bir dereceye kadar, genelde havadan kolaylıkla oksitlenen reaktif bir metalden yapılan katoddan kaynaklanıyor. Katodun kapsüllenmesi, degradasyonu bir dereceye kadar düşürse de, araştırma ekibi, bu reaktif metale olan ihtiyacı, cihaz yapısını ters yüz ederek tamamen ortadan kaldırabileceğini görmüş. Evirtik bir hücrede, elektrük yükü, cihazdan normalde çıkacağı yönün tersinde çıkıyor. Çünkü pozitif ve negatif elektrodlar ters çevrilmiş durumdalar. Bu sayede de katod daha uygun bir malzemeden yapılabiliyor. Bu çalışmada, ekip, polimerle (PFN) modifiye edilmiş indiyum kalay oksit kullanmış.
Yeni organik fotovoltaik panellerin ters çevrilmiş yapısı, bir fotovoltaik bir katmanın (kırmızı) bir anot ve katot arasında sandviçlenmesi şeklinde. Resim: He, et al. ©2012 Macmillan Publishers Limited
Bu ters yapıdaki OPV’ler, daha uzun kullanım süresi demek olsa da, normal OPV’ler kadar bile verim seviyesine ulaşılamamış. Söz konusu çalışmada, ters çevrilme karakteristiği üzerinde çalışılarak, güneş spektrumundan gelen fotonun bağımısız kontroluyla bu durumun da üstesinden gelişmiş ve daha fazla foton emilimi sağlanmış. Güneş panelinin iki elektrot arasında sandviçlenmiş fotoaktif katmanı gelen fotonu emiyor ve yük taşıyıcıları fotojenere ediyor. Yeni gelişmenin sonucunda, fotoaktif katman, önceki yapıya göre daha fazla foton emebiliyor ve daha fazla elektrik akım yoğunluğuna ulaşılabiliyor (eski değer 15.4 mA/cm iken yeni ulaşılan değer 17.2 mA/cm).
Wu’nun söylediği, "kilit nokta cihazın yapısında. Konjuge polimer PFN, indiyum kalay oksit alt tabakası ve fotoaktif katman arasında ara katman olarak kullanılıyor, bu sayede hem elektron çıkarımı için ohmik temas hem de foton hasatında optimizasyon sağlanıyor” şeklinde. Daha yüksek akım ise cihazın, Long Beach, Kaliforniya’daki Newport Technology & Application Center’s Photovoltaic Lab tarafından onaylanmış rekor verim seviyesine ulaşması demek.
Kararlılık açısından, yapılan testler, yeni OPV’nin 62 gün sonra ilk verim seviyesinin 595’ini koruduğunu gösteriyor. Hal bu ki diğer cihazlar 10 gün içerisinde ilk verimlerinin %50’sini kaybediyorlardı.
Ekip, bu çalışmada geliştirilen yöntemin ayrıca yarı transparan ters fotovoltaik panellerle pencere, perde ve görünmez elektronik devre yapımında da kullanılabileceğini iddia ediyor. Ayrıca, ileride yapılacak bazı geliştirme çalışmaları ile, söz konusu yöntemle %10 verim hedefine ulaşmanın da mümkün olabileceği söyleniyor.
Phillips 66 ve Solarmer ile işbirliği içinde, önümüzdeki yıl içinde yeni güneş panellerinin piyasaya sürülmesi bekleniyor. Wu, "Laboratuar seviyesinde %10 hedefine yakın zamanda ulaşılabileceğine güvenim tam. Hem malzeme hem de cihaz yapısı üzerinde çalışarak OPV verimliliğini optimize etmek için elimizden geleni yapıyoruz. Verimlilik seviyesi daha geniş uygulama alnına imkan verdiğinde kararlılık üzerinde de daha detaylı araştırmalar yapacağız. Bunun yanı sıra, püskürtmeli baskı, rulodan ruloya gibi daha da düşük maliyetli üretim yöntemleri üzerinde çalışıyoruz.” diyor.
Daha detaylı bilgi için: Zhicai He, et al. "Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure." Nature Photonics. DOI: 10.1038/NPHOTON.2012.190
Basın açıklaması: Phillips 66, South China University of Technology, and Solarmer Energy Set a World Record in Solar Power Conversion Efficiency http://www.phillips66.com/EN/newsroom/news_releases/2012NewsReleases/Pages/08-21-2012.aspx
Yayın referansı: Nature Photonics
Copyright 2012 Phys.org
Adaptasyon: http://phys.org/news/2012-08-inverted-polymer-solar-cell-efficiency.html#jCp