Güneş Pili Verimliliğini Artırmak için Gürültüyü Azaltmak
Toplum yenilenebilir bir enerji geleceğine doğru ilerlerken, güneş panellerinin ışığı mümkün olduğunca verimli bir şekilde elektriğe dönüştürmesi çok önemlidir. Bazı son teknoloji güneş pilleri teorik maksimum verime yakındır ve Utah Üniversitesi ve Helmholtz-Zentrum Berlin’den fizikçiler onları daha da iyi hale getirmenin bir yolunu bulmuşlardır.
Yeni bir çalışmada fizikçiler, silikon güneş pilleri içindeki malzemeler arasında akan elektrik akımındaki küçük dalgalanmaları ölçmek için çapraz korelasyon gürültü spektroskopisi olarak bilinen bir teknik kullandılar. Araştırmacılar, geleneksel gürültü ölçüm yöntemlerine tamamen görünmez olan önemli elektriksel gürültü sinyallerini belirlediler. Ayrıca, genellikle enerji kaybı ve daha düşük verimlilikle sonuçlanan gürültüye neden olan olası fiziksel süreçleri de belirleyebildiler.
“Bir nesne üzerindeki gürültüyü ölçmek nispeten basittir. Sadece bunu yapan cihazları satın alabilirsiniz. Ancak bizi rahatsız eden sorun, bu cihazların da gürültüye sahip olması,” dedi Kevin Davenport, U’da fizik öğretim görevlisi ve makalenin baş yazarı. “Bu çapraz korelasyon tekniği, yalnızca cihazın gürültüsünü ölçmemize değil, aynı zamanda dedektörümüzün gürültüsünü de ölçmemize ve çok, çok daha küçük gürültü sinyallerini görebilmemiz için onu ortadan kaldırmamıza izin veriyor.”
24 Haziran 2021’de dergide yayınlanan teknik Bilimsel Raporlar, daha iyi bir güneş pili için malzeme arayüzlerini geliştirmek veya diğer karmaşık cihazlarda verimsizlikleri analiz etmek için önemli yeni bir araçtır.
“Verimlilikteki küçük iyileştirmelerin endüstri için ne kadar önemli olduğu şaşırtıcı. Freie Universität Berlin’de fizik profesörü ve güneş pillerinin tasarlandığı Helmholtz-Zentrum Berlin’de bölüm başkanı olan ortak yazar Klaus Lips, yüzde bir iyileşmenin sadece bir kısmı, üretim ölçeği nedeniyle milyarlarca dolara dönüşüyor” dedi. uydurulmuş.
ABD’de fizik profesörü Andrey Rogachev, “Geçmişte, oldukça basit araştırma sınıfı ışık yayan diyotları incelemek için çapraz korelasyon tekniğini kullandık, ancak yöntemin avantajları bu çalışmada gerçekten ortaya çıktı” dedi. çalışmanın ortak yazarı. “Ve güneş enerjisi endüstrisinin ötesine geçiyor. Birçok katmana sahip herhangi bir cihazda, malzemeler arasındaki her arayüz bir şekilde verimliliği azaltabilir. O kadar karmaşık ki, neler olduğunu ve daha da önemlisi, belirli gürültünün nerede olduğunu söyleyebilmek için gerçekten sağduyulu olmalısınız. Bu tekniğin tam da bunu yapmamıza izin verdiği ortaya çıktı.”
Karmaşık cihazları anlamak için tek bir yöntem yeterli değildi. Gürültü verilerinin yorumlanmasına, Helmholtz-Zentrum Berlin’de doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın ortak yazarı olan CT Trinh tarafından yürütülen güneş pili simülasyonları büyük ölçüde yardımcı oldu. Son ortak yazar, daha sonra U’da lisans araştırması yapan ve şimdi Irvine, California Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olan Mark Hayward’dır.
Gürültü analizi
Çalışma, yüksek kaliteli tek malzemeli güneş pili türü ve şu anda piyasadaki türünün en verimlisi olan silikon heterojunction güneş pillerini (HSC’ler) analiz etti – hücreye çarpan ışığın %26,7’si elektriğe dönüştürülür. Buna karşılık, bir konutta güneş panellerini oluşturan hücreler %15 ile %20 arasında verim aralığındadır.
Bir HSC’de elektrik üretimi, foton adı verilen bireysel ışık parçacıkları kristal silikondan yapılmış foto-aktif katman tarafından emildiğinde başlar ve eksik elektronların neden olduğu yükler olan negatif yüklü elektronlar ve pozitif yüklü delikler oluşturur. Elektronlar ve delikler daha sonra safsızlıklarla modifiye edilmiş hidrojene amorf silikondan yapılmış iki seçici kontak tarafından oluşturulan bir elektrik alanı tarafından zıt yönlerde çekilir. Bu işlem, elektrik olarak kullandığımız akımı üretir. Sorun, seçici elektrot ve fotoaktif silikonun mükemmel bir şekilde eşleşmemesi ve elektronları yakalayan kusurlar oluşturmasıdır. Bilim adamları, çalışmadakiler gibi araştırma sınıfı güneş pillerindeki bu kusurları ortadan kaldırmak için aralarına ultra ince bir saf amorf silikon tabakası yerleştirir. Son olarak, bu beş katmanın tümü, ITO olarak bilinen iki şeffaf iletken malzeme katmanı ve altın elektrotlar arasında sıkıştırılır.
HSC’lerin verimliliği, farklı katmanların birbirine ne kadar iyi bağlandığına bağlıdır. İki katman arasındaki hafif bir uyumsuzluk, elektronların gitmeleri gereken yere gitmelerini zorlaştırabilir; bu, bir gürültü sinyali üretecek bir problemdir.
“Bu sorun, bu arayüzlerin içinde bir nevi gizli ve herhangi bir sinyal türünü tespit edebilmek gerçekten zor. Ancak kullandığımız gürültü tekniği gerçekten çok küçük bireysel sinyallere karşı çok hassas,” dedi Davenport. Farklı enstrümanlarla çalınan bir notayı dinlemek gibi, diye devam etti. Kemandaki C notası, çellodaki C notası ile aynıdır, ancak kulağa farklı gelir. Bu notu analiz edecek olsaydınız, onu üreten enstrüman hakkında tellerin uzunluğu veya malzemesi gibi bir şeyler öğrenmek için bilgi çıkarabilirsiniz.
“Biz buna benzer bir şey yapıyoruz. Bu geniş spektrumda farklı gürültü sinyalleri ve frekans ekseni boyunca farklı konumlar görüyoruz. Davenport, ‘Tamam, notun gördüğümüz bu kısmı, bu fiziksel sürece atfedebiliriz ve bu kısım farklı bir fiziksel süreçtir’ diyebiliriz” dedi. “Ancak cihaz, tümü gürültü üreten bu süreçlerle dolu ve bunları çözmek gerçekten zor – 200 kişilik bir koroda tek bir ses çıkarmak gibi. Bu teknik, sinyalin istenmeyen kısımlarının çoğunu kaldırmamızı sağlıyor.”
Haritalama verimsizlikleri
Silikon HSC’ler oldukları gibi mükemmeldir, ancak yine de sınırları vardır. Araştırma ekibinin yeni tekniği, belirli fiziksel süreçlerin elektrik sinyalleri ürettiği cihazdaki kilit alanları belirledi. Gelecekte, bu aşamalardaki küçük ayarlamalar, bu hücrelerin ve geleceğin güneş pillerinin verimliliğini artırabilir. İlgili sinyalleri keşfetmek için elektriksel kakofoniyi gözden geçirdikten sonra, fizikçiler sinyalin bulunduğu yerde hangi fiziksel süreçlerin gerçekleştiğini saptamak için bir simülasyon çalıştırdılar.
Yeni nesil güneş pilleri, her biri güneş ışığının farklı bir bölümüne duyarlı olan ve böyle bir cihaza daha fazla enerji üretme yeteneği veren farklı fotovoltaik malzemelerin yığınlarından oluşan tandem piller olarak bilinir. Önerilen bir cihaz katmanı, sıcak bilet perovskit malzemesidir.
Lips, “Birlikte, yeni güneş pili, silikon cihazının sınırını kendi başına %30 verimliliğin ötesinde aşabilir” dedi.
Verimliliğin bu sınırında küçük kayıplar önemlidir. Böyle bir kayıp malzeme bilimcileri tarafından gözlemlenmiştir; şeffaf ITO’nun birikmesi bir şekilde alttaki silikon katmanlarını değiştirerek cihazın verimliliğini azaltan kusurlar yaratır. Araştırmacıların bu çalışmada belirlediği başlıca elektriksel gürültü sinyallerinden biri, yüklerin tutulduğu ve serbest bırakıldığı bu arayüzdeydi. Bir diğer önemli sinyal, cihazın arka tarafında benzer bir bariyerden delikler geçtiğinde meydana geldi.
Davenport, “Bu sinyalleri tespit etme yeteneği, onların kaynaklarını anlayabileceğimiz ve onları azaltabileceğimiz anlamına geliyor” dedi.
Referans: Kevin Davenport, CT Trinh, Mark Hayward, Klaus Lips ve Andrey Rogachev, 24 Haziran 2021, “Gürültü spektroskopisi yoluyla problanan silikon heterojunction güneş pillerinde gevşeme süreçleri”, Bilimsel Raporlar.
DOI: 10.1038/s41598-021-92866-w
Utah Üniversitesi’ndeki araştırma NSF ve Helmholtz-Zentrum’da DFG tarafından desteklendi.
.
Gelişmelerden zamanında haberdar olmak için Google News’te Bilim Portal’a ABONE OLUN