Grafen, Perovskit Güneş Pillerine Eksik Olan Tek Şeyi Verdi: Dayanma Gücü

Yıllardır perovskit güneş pilleri yenilenebilir enerji dünyasının en gözde konusu oldu. Ucuzlar. Yapılması kolaydır. Laboratuvarda verimlilik rekorları kırmaya devam ediyorlar. Kulağa mükemmel geliyor, değil mi? Bir sorun var; büyük bir sorun. Parçalanıyorlar. Hızlı.

Perovskit güneş pili, dış mekandaki neme maruz kaldığında hızla hasar görecektir. Bu yüksek hasar oranı nem, ısı ve güneş ışığının birleşik etkilerinden kaynaklanır ve genellikle ilk maruziyetten sonraki birkaç hafta veya ay içinde meydana gelir. Bir zamanlar umut verici bir teknoloji olduğu düşünülen hücre, artık sahada kullanım için kaliteli bir güneş enerjisi ürününün standartlarını karşılamayacak. Bu nedenle, perovskit güneş panelleri çok fazla tanıtım yapmış olsa da, şu anda bunların ticari bir uygulaması yoktur (örneğin; çatılarda veya büyük güneş enerjisi kurulumlarında).

Son zamanlarda, yeni kurulan şirketlerdeki giderek artan sayıda malzeme bilimci ve mühendis, perovskit güneş pillerinin bozunma sorunlarının üstesinden gelmek için kullanılabilecek beklenmedik bir malzeme keşfettiklerine inanıyor: grafen. Grafen, güneş pili yapımında kullanılan diğer malzemelerin (örneğin cam, plastik, metal) sınırlamalarının üstesinden gelmesini sağlayan bazı benzersiz yapısal özelliklere sahiptir.

Grafen temel olarak kümes teli gibi düzenlenmiş tek bir karbon atomu katmanıdır. Neredeyse tamamen şeffaftır, hayal edebileceğiniz her şeyden daha incedir, ancak çelikten yaklaşık 200 kat daha güçlüdür. Aynı zamanda şimdiye kadar hayal edilen en iyi elektrik iletkenidir; en azından laboratuvar ortamlarında.

İşte işin akıllıca kısmı. Araştırmacılar, grafeni bir perovskit hücresinin üstüne yerleştirebileceğinizi veya küçük parçalarını perovskiti çevreleyen katmanlara karıştırabileceğinizi anladılar. Bu ince karbon battaniye aynı anda üç faydalı şeyi yapıyor.

İlk olarak hava geçirmez bir yağmurluk gibi davranır. Oksijen ve su buharı grafen kafesinden gizlice geçemez. Bu tek başına perovskit hücrelerini öldüren birçok kimyasal reaksiyonu durdurur. Bazı ekipler korunmasız hücrelerin birkaç yüz saat içinde öldüğünü, grafen kaplı hücrelerin ise binlerce saat boyunca mırıldanmaya devam ettiğini gördü.

İkincisi, grafen elektrik yüklerini uzaklaştırma konusunda harikadır. Çalışan bir güneş pilinin içinde güneş ışığı, negatif yüklü elektron çiftleri ve pozitif yüklü "delikler" oluşturur. Perovskitin içinde çok uzun süre kalırlarsa sorun yaratırlar; israfla yeniden birleşirler veya yan reaksiyonları tetiklerler. Grafenin süper gücü bu yükleri yakalayıp hızla dışarıya doğru hareket ettiriyor; bu da hem hücreyi koruyor hem de güç çıkışını biraz artırıyor.

Üçüncüsü - ve bu birçok insanı şaşırttı - grafen perovskiti fiziksel olarak daha sert hale getiriyor. Bir kristalin gündüzleri güneş ışığına maruz kalması ve ardından geceleri soğuması, çok az genleşme ile tekrarlanan bir ısıtma ve soğutma döngüsü yaratır ve bu tekrarlanan esneme, sonuçta kaldırımlarda donma ve çözülme eşdeğeri nedeniyle şeker kristalinin tane sınırları boyunca mikroskobik çatlaklar üretecektir. Grafen, kristal yapıdaki zayıf alanları desteklediği için daha az çatlak oluşmasına neden olacak inanılmaz derecede sert bir malzemedir. Bir çatlak oluşursa, kristal yapı boyunca o kadar hızlı ilerlemeyecektir.

Kısa bir süre öncesine kadar tüm bunlar tamamen akademikti. Bir doktora öğrencisi küçük, el yapımı bir perovskit hücre yapmak için aylar harcar, üstüne bir parça grafeni dikkatlice yerleştirir ve ardından birkaç yüz saatlik testler yapar. İşe yaradı ama kimse bunun gerçek dünya ölçeğinde nasıl yapılacağını bilmiyordu.

Bu değişiyor. Mühendisler, önceden hazırlanmış grafen tabakalarını birkaç santimetre genişliğindeki perovskit modüllere lamine etmenin yollarını buldular. Diğerleri ise düşük sıcaklık yöntemlerini kullanarak grafeni doğrudan hücre üzerinde büyütüyor. Ve en pratik çalışmalardan bazıları, bazen grafen nanoplatelet olarak da adlandırılan doğranmış grafen parçalarının, perovskitin üstündeki ve altındaki yapışkan, yazdırılabilir katmanlara karıştırılmasını içerir. Bu yaklaşımın mükemmel, kesintisiz bir grafen tabakasına ihtiyacı yok. Küçük grafen pullarından oluşan dağınık bir ağ, maliyetin çok altında bir maliyetle size hâlâ çoğu faydayı sağlıyor.

Çoğunlukla Çin ve Avrupa'da bulunan bir avuç küçük şirket, bu fikirleri kullanarak sessizce pilot üretim hatları inşa ediyor. Henüz büyük rakamlar açıklamıyorlar - endüstri hâlâ temkinli - ancak son enerji konferanslarındaki hava değişti. İnsanlar bunun aslında temiz oda dışında işe yarayabileceğine inanmaya başlıyor.

Grafenle güçlendirilmiş perovskit hücrelerin seri üretime geçmesi durumunda ekonomi ilginçleşecektir. Silikon paneller zaten ucuz (watt başına yaklaşık 10 ila 15 sent), ancak bunları yapmak için süper sıcak fırınlar, zararlı kimyasallar ve sert cam gerekiyor. Perovskit hücreleri ise oda sıcaklığında gazete gibi basılabiliyor. Hammadde bol ve ucuzdur. Potansiyel maliyet? Bazı analistler watt başına beş sent veya daha da düşük olduğunu fısıldıyor.

Bu, güneş enerjisinin fiyatını kabaca yarı yarıya azaltacaktır. Ama işin ilginç yanı şu; hiç kimse iki yıl sonra başarısız olan bir paneli satın almaz. Kamu hizmetleri ve ev sahipleri 25 yıllık garanti istiyor. Grafen olmadan perovskit bunu hayal bile edemez. Grafen ile ilk prototipler, birkaç bin saatlik sürekli ve acımasız testlerden sonra artık orijinal çıktılarının yüzde 90'ından fazlasını elinde tutuyor. Bu hâlâ 25 yıl değil, ancak teknolojinin yalnızca beş yıl önce bulunduğu noktaya göre bin kat ilerleme anlamına geliyor.

İnsanların heyecanlanmasının bir diğer nedeni: esneklik. Yanlış bakarsanız silikon levhalar kırılır. Ancak perovskit-grafen katmanları ince plastik veya metal folyolara basılabilir. Bu, çılgınca yeni kullanımların önünü açıyor. Güneş pillerinin elektrikli bir arabanın kavisli çatısına lamine edildiğini, telefonunuzu şarj etmek için bir sırt çantasına dikildiğini veya bir drone'un kanadının etrafına sarıldığını hayal edin. Bazı mimarlar, ışığı içeri alırken aynı zamanda güç üreten yarı şeffaf perovskit pencerelerle oynuyor.

Bunların hiçbiri artık bilim kurgu değil. Prototipler binlerce virajı hiç ter dökmeden atlattı. Perovskitin verimliliği ile grafenin sağlamlığı ve iletkenliğinin birleşimi, silikonun dokunamayacağı uygulamaların kilidini açıyor.

Dürüst olalım; grafenin kendisi mükemmel değil. Yüksek kaliteli, tek katmanlı grafeni tutarlı ve ucuz bir şekilde yapmak hâlâ göründüğünden daha zordur. Fiyatlar son on yılda çok düştü, ancak henüz pazarlıklı temel güneş panelleri için yeterince düşük değiller. Ve hiç kimse bir grafen-perovskit panelin açık havada gerçekten 20 yıl dayanabileceğini kanıtlayamadı. Bu tür veriler zaman alır.

Yine de ivme gerçektir. Yüzden fazla patent ailesi artık grafen-perovskit kombinasyonlarını kapsıyor. Yatırım parası, eskiden toplantılarda gülünen girişimlere akıyor. Bazı büyük silikon panel üreticileri bile eski teknolojinin bir adım öne geçmesi ihtimaline karşı perovskit Ar-Ge'sini sessizce finanse ediyor.

Bu bir garanti değil. Ancak bu, perovskit güneş pillerinin uzun zamandır gördüğü en umut verici işaret.