Güneş gücünün silikon panellerle başlayan seyahati, son yıllarda perovskit tabanlı yeni jenerasyon hücrelerle değişik bir ivme kazanmış durumda. Lakin işin tabiatı gereği güneş panellerinin en büyük düşmanı her vakit bulutlar ve yağmur oldu. Hava kapandığında üretim düşerken, şiddetli yağış ise bilhassa hassas materyaller için önemli bir risk oluşturuyor. İspanya’dan gelen yeni bir çalışma ise bu denklemi bilakis çevirebilecek bir yaklaşım sunuyor: Çünkü İspanyol araştırmacılar, yağmurdan elektrik üreten hibrit bir güneş paneli geliştirdi.

İspanya’nın Sevilla Gereç Bilimi Enstitüsü (ICMS) bünyesinde faaliyet gösteren araştırmacılar tarafından geliştirilen aygıt, sırf güneş ışığını değil, yağmur damlalarının kinetik gücünü de elektriğe dönüştürebiliyor. Sistem,yüksek verimli bir perovskit güneş hücresinin üzerine uygulanan, yalnızca 100 nanometre kalınlığındaki teflon gibisi ince sinemadan oluşuyor.

Bu Hibrit Sistem, Perovskitin Önündeki Değerli Bir Mahzuru Ortadan Kaldırailir

Bildiğiniz üzere perovskit güneş hücreleri son yıllarda yenilenebilir güç dünyasının gözdesi hâline gelmiş durumda. Üretim maliyetlerinin silikona kıyasla daha düşük olması ve verimliliklerinin birkaç yıl içinde yüzde 4 düzeylerinden yüzde 25’in üzerine çıkması, bu malzemeyi epeyce cazip kılıyor. Lakin halojenli perovskitlerin en büyük sorunu neme karşı çok hassas olmaları. Yüksek nem yahut direkt su teması, bu kristal yapıları kısa müddette bozarak kurşun iyodür gibisi sarımsı ve fonksiyonsuz bir yapıya dönüştürebiliyor. Bu yüzden perovskit hücreler için yağmur, sırf üretimi düşüren bir faktör değil; birebir vakitte direkt bir tehdit. ICMS grubunun çalışmasını kıymetli kılan da tam olarak bu: Yağmurun ziyanlı tesirini ortadan kaldırmakla kalmayıp, onu ek bir güç kaynağına dönüştürmek.

Triboelektrik Tesirle Yağmurdan Elektrik Elde Ediliyor

Geliştirilen hibrit panel, “triboelektrik etki” ismi verilen fizikî bir prensibi kullanıyor. Bu tesir, iki farklı materyal temas edip ayrıldığında ortalarında elektriksel yük farkı oluşmasına dayanıyor. Yağmur damlası, özel olarak işlenmiş yüzeye çarpıp kayarken sürtünme nedeniyle yük ayrışması meydana geliyor. Örneğin damla yüzeyde müspet iyon bırakırken yüzey negatif yüklenebiliyor. Oluşan bu potansiyel fark ise toplanarak elektrik gücüne dönüştürülüyor.

Araştırma takımı, gözetici ve işlevsel kaplamayı Plazma Takviyeli Kimyasal Buhar Biriktirme (PECVD) formülüyle, oda sıcaklığında ve çözücü kullanmadan direkt hücre üzerine büyüttü. Bu ayrıntı kritik; zira perovskit katmanlar yüksek sıcaklık ya da kimyasal çözücülerden basitçe ziyan görebiliyor. 100 nanometrelik florlu polimer kaplama üç temel fonksiyon görüyor:

1. Hidrofobik koruma: Su temas açısını 110 dereceye çıkararak hücrenin neme dayanımını yaklaşık iki kat artırıyor.
2. Optik iyileştirme: Yansıma kaybını azaltıp ışık geçirgenliğini yüzde 90’ın üzerine çıkararak güneşten elde edilen randımanı destekliyor.
3. Damlaya dayalı triboelektrik nanogeneratör (D-TENG): Yağmur damlasının çarpma ve kayma anında oluşan yük farkını elektriğe dönüştürüyor.

Laboratuvar testlerinde optimize edilmiş kaplama, tek bir yağmur damlasının çarpmasıyla 110 volta kadar açık devre tansiyon tepesi üretebildi. Toplam güç yoğunluğu ise santimetrekare başına yaklaşık 4 miliwatt düzeyinde. Bu kıymet büyük ölçekli güç üretimi için düşük olsa da düşük güç tüketimli elektronik sistemler için kâfi görülüyor.

Araştırmacılar laboratuvarda kendi kendini şarj edebilen bir prototip de geliştirdi. Özel bir “boost converter” (gerilim yükseltici) devresi kullanılarak elde edilen güç yükseltildi ve sistem güneş ışığı altında kırmızı LED dizisini daima beslerken, her yağmur damlası çarpışında yeşil LED’ler yanıp söndü. Böylelikle hem fotovoltaik hem de triboelektrik üretim tıpkı platformda gösterilmiş oldu.

Dayanıklılık testleri de dikkat cazip. Kapsüllenmiş hücreler, yüksek sıcaklık ve nem altında 10 gün sonunda başlangıç randımanlarının yüzde 50’sinden fazlasını korudu. Direkt suya daldırma testinde ise hibrit aygıt 15 dakikadan uzun müddet performansını sürdürürken, kaplamasız hücreler neredeyse anında fonksiyonunu yitirdi.

Hedef: IoT ve Akıllı Şehirler

Bu teknoloji şimdilik çatılarımızdaki dev silikon panellerin yerini almayı hedeflemiyor. Asıl odak noktası, süratle büyüyen Nesnelerin İnterneti (IoT) ekosistemi. Köprülerden tarım yerlerine, akıllı kent altyapılarından deniz istasyonlarına kadar milyonlarca sensör alana dağıtılıyor. Lakin bu aygıtların en büyük sorunu güç: Pilleri nizamlı olarak değiştirmek hem maliyetli hem de pratik değil. ICMS araştırmacılarına nazaran bu hibrit paneller; akıllı tabelalar, otonom yardımcı aydınlatma sistemleri, çevresel izleme sensörleri ve ulaşılması sıkıntı bölgelerdeki dağıtık güç yapıları için uygun bir tahlil sunabilir. Yağmurun kinetik tesirinden “mikro güç akışları” elde ederek, kablo ya da pil gerektirmeyen daha otonom sistemlerin önünü açabilir.