Güneş hücreleri: Önemli olan sadece fotovoltaik etki değil

Enerji

Teknolojik Yenilik Web Sitesi Editör Ekibi - 7 Ağustos 2025

2 boyutlu yarı iletken/3 boyutlu metal bağlantısında iki foto akım üretim mekanizmasının analizi: PV: fotovoltaik; PTE: fototermoelektrik. [Görsel: Da Xu ve diğerleri - 10.1126/sciadv.adv7614]

Fotovoltaik ötesinde

Işığı doğrudan elektriğe dönüştüren bilindik güneş panellerinin teknik adı fotovoltaik panellerdir. Ancak belki de bu terim, bilim insanlarının bir zamanlar düşündüğü kadar doğru değildir.

Güneş hücrelerinde meydana gelen başka bir etkinin, elektrik üretimi açısından fotovoltaik etki kadar, hatta bazı durumlarda daha da önemli olduğu ortaya çıktı.

Bu ikinci etkinin keşfinin güneş enerjisi sistemlerinde ve hatta optik haberleşme teknolojisinde önemli gelişmelere yol açması bekleniyor.

Her şey, Kaliforniya Üniversitesi Riverside'daki Da Xu ve meslektaşlarının, güneş pilleri yapmak için kullanılan malzemelerde ışığın nasıl elektrik akımına dönüştüğünü görselleştirmeye çalışan üç boyutlu bir görüntüleme yöntemi geliştirmesiyle başladı.

Sadece tüm süreci gözetlemekle kalmadılar, aynı zamanda ışığın elektriğe dönüştürüldüğü iki temel süreci de ayırt edebildiler.

Ve işte o zaman sürpriz geldi: Şimdiye kadar neredeyse ihmal edilen ikinci sürecin, daha önce tahmin edilenden çok daha önemli olduğu ortaya çıktı.

Hekzagonal bor nitrürün molibdenit güneş hücrelerinin termal ve fototermoelektrik akım profilleri üzerindeki etkisi. [Görsel: Da Xu ve diğerleri - 10.1126/sciadv.adv7614]

Fotovoltaik ve fototermoelektrik etkiler

Yeni görüntüleme sisteminin gördüğü ilk süreç, güneş panellerinin ardındaki en iyi bilinen mekanizma olan iyi bilinen fotovoltaik etkiydi : Işığın olay fotonları, bir yarı iletkendeki elektronları serbest bırakarak, elektrot temas noktalarında biriken ve elektrik sağlayan bir elektrik akışı yaratır.

İkinci ve çok daha az bilinen süreç ise fototermoelektrik etki olarak adlandırılır. Işık enerjisi malzemedeki elektronları harekete geçirerek çevrelerinden daha sıcak hale getirdiğinde, bu harekete geçen elektronlar doğal olarak daha soğuk bölgelere hareket eder ve akarken elektrik akımı üretirler. Bu elektronlar, elektrot yakınındaki birikmiş bölgelerinden, fotovoltaik etkiyle hareket eden elektronların tersi yönde uzaklaşma eğilimindedir.

Yeni tekniğin ortaya koyduğu şey, fototermoelektrik etkinin, özellikle güneş hücrelerini oluşturan heterojunksiyonlar gibi küçük ölçekli aygıtlarda eşit derecede, hatta daha da önemli olduğudur.

Profesör Ming Liu, "Şimdiye kadar her iki etkinin de gerçekleştiğini biliyorduk, ancak her birinin ne kadar katkıda bulunduğunu ve mekansal olarak nasıl dağıldığını göremiyorduk," dedi. "Yeni tekniğimizle nihayet onları birbirinden ayırabiliyor ve nasıl etkileşime girdiklerini anlayabiliyoruz. Bu, daha iyi cihazlar tasarlamak için yeni yollar açıyor."

Toplam (siyah), fototermoelektrik (mavi) ve fotovoltaik (kırmızı) fotoakımların çapraz bağlantı hattı profilleri. [Görsel: Da Xu ve diğerleri - 10.1126/sciadv.adv7614]

Isı yönetimi ve artırılmış elektrik akımı

Ekip, deneylerinde molibden disülfür ( _MoS2 ) veya sadece birkaç atom kalınlığında iki boyutlu bir yarı iletken olan molibdenitten yapılmış nanoaygıtlar kullandı. Bu ultra ince yapılar, mevcut malzemelerden çok daha üstün optik ve elektriksel özellikleri nedeniyle yeni nesil elektronik cihazlar için önemli bir ilgi görüyor.

Ekip, ışığı bir atomik kuvvet mikroskobunun ucundan geçiren yeni görüntüleme yöntemini kullanarak, fotovoltaik ve fototermoelektrik etkilerin nanometre ölçeğine kadar nerede ve nasıl meydana geldiğini belirleyebildi.

Ve sonra bir başka sürpriz daha geldi, bunun sadece yoğunluğun değil, aynı zamanda konumun da bir etkisi olduğunu gösterdi: Fotovoltaik etkinin elektrot ve molibdenitin birleştiği noktada gerçekleşmesi bekleniyordu ancak fototermoelektrik etkinin daha önce düşünülenden çok daha fazla malzemenin içine yayıldığı görüldü.

Xu, bilim insanları arasında en yaygın kabul gören teoriye atıfta bulunarak, "Bu, genel kabul görmüş anlayışa aykırıdır," dedi. "Isının etkilerinin, metal temas noktasından çok uzakta bile, çok daha geniş alanlarda elektrik çıkışını etkileyebileceğini gösteriyor."

Dahası da vardı. Ekip, bir başka son teknoloji 2B malzeme olan ince bir hekzagonal bor nitrür tabakası eklediğinde, ısıyı hücre boyunca yanal olarak yönlendirebildiler. Bu yönlendirilmiş ısı akışı, sıcaklık değişimlerini malzemenin ısıya verdiği tepkideki değişimlerle uyumlu hale getirerek fototermoelektrik etkiyi artırdı; yani elektrik akımı üretimini artırdı.

"Normalde ısıyı yerel tutmaya çalışırsınız," dedi Xu. "Ama bu durumda, yayılmasına izin vermek işe yaradı."

Bu keşif, daha verimli güneş ve güneş termal enerjisi teknolojilerinin geliştirilmesine olanak sağlamasının yanı sıra, cihazların küçüldüğü ve ısı yönetiminin giderek önem kazandığı fiber optik iletişim sistemlerinde daha iyi ışık algılayan bileşenlerin tasarlanmasına da yardımcı olmayı vaat ediyor.

Diğer haberler:

Daha fazla konu