Arizona merkezli güneş enerjisi teknolojisi şirketi First Solar, New Mexico’da faaliyet gösteren ileri malzeme firması UbiQD ile uzun vadeli bir iş birliği başlattığını duyurdu. Bu ortaklık, kuantum noktaların fotovoltaik panellere entegrasyonunu hızlandırmayı hedefliyor ve ABD yenilenebilir enerji sektöründe bu teknolojinin yaygınlaşması adına atılmış en büyük adımlardan biri olarak öne çıkıyor.

Güneş enerjisi, Dünya yüzeyine her yıl yaklaşık 1,8 × 10¹⁴ kW güç sağlayarak, en bol ve sürdürülebilir enerji kaynaklarından biri olarak öne çıkıyor. Geleneksel silikon bazlı güneş panelleri, ticari uygulamalarda %24’e varan verimlilik değerlerine ulaşarak bu potansiyelden faydalanmada önemli bir yol kat etti. Ancak yüksek üretim maliyetleri, malzeme sınırlamaları ve teorik verimlilik sınırı olan %29,4, daha verimli ve maliyet açısından avantajlı alternatif teknolojilere olan ihtiyacı her geçen gün artırıyor. 2020 yılında güneş enerjisi teknolojisi, yenilenebilir enerjiye yatırım yapmak ve kurulum yapmak açısından güvenilir bir seçenek olmayı sürdürecek olsa da, bu sektördeki yenilikler de geride kalmayacak. Güneş pillerine uygulanan kuantum nokta teknolojisi, “kuantum noktalar” olarak bilinen bir tür nanoparçacığa dayanıyor ve güneş enerjisinin insan kullanımına yönelik elektriğe dönüştürülmesinde yeni bir dünya rekoruna imza attı.




Kuantum nokta güneş pilleri, standart bir güneş panelinde bulunan sert yüzeyler üzerinde “esnek bir deri” gibi çalışıyor; bu durum Europa Press’in basın bülteninde de yer aldı. Araştırmayı yürüten Queensland Üniversitesi’nden Profesör Lianzhou Wang’a göre, bu tip kuantum noktalar, fotovoltaik hücre üretiminde kullanılan “sert, pahalı” malzemelere kıyasla “esnek ve baskı yapılabilir” özellikte. Wang ayrıca, bu yeni malzemenin “otomobiller, uçaklar, evler ve giyilebilir teknolojiler için enerji sağlayan şeffaf bir kaplama” olarak kullanılabilmesi dahil olmak üzere çok geniş bir potansiyel uygulama alanı açabileceğini öngörüyor.

Tüm bu harika özelliklerine rağmen kuantum nokta teknolojisi önemli bir zorlukla karşı karşıya: yüzeyinin pürüzlü ve kararsız olması. Ancak bu durum, araştırma ekibinin güneş ışığından elektriğe dönüşüm verimliliğinde önceki rekoru %25 oranında geliştirmesini engellemedi. Kuantum noktalar, parlak renkli bir ölçekte, ışıldayan (lüminesans) faydalarını da gözler önüne seriyor.

 

Kuantum noktalar, elektronların (iletim bandında) ve deliklerin (valans bandında) ya da eksitonların (elektron–delik çiftleri) üç uzaysal boyutun tamamında hareketinin sınırlandığı nanometre ölçeğinde yarı iletken yapılardır. Aynı malzemeden yapılmış olsalar da yalnızca boyut farkıyla bambaşka renklerde ışıldayabiliyorlar. Bu özellik “kuantum sınırlaması” olarak biliniyor.Bu kuantum sınırlama etkisi, onlara kütlesel (bulk) malzemelerde bulunmayan benzersiz optik ve elektronik özellikler kazandırır.

Enerjiden biyomedikale kadar geniş bir alanda kullanılan kuantum noktalar, özellikle tıp alanında hücre tespitinde önemli bir rol oynamaktadır. Lüminesans (ışıma) özellikleri sayesinde, geleneksel kimyasal belirteçlerin yerini alarak belirli hücreleri daha hassas biçimde tespit edebilirler.

Fotovoltaik teknolojilerde ise kuantum noktalar, güneş pillerine entegre edilerek ışık soğurma kapasitesini artırır. En önemli avantajları, ayarlanabilir bant aralığına sahip olmalarıdır. Bant aralığı (valans bandının tepe noktası ile iletim bandının tabanı arasındaki enerji farkı), istenilen enerji seviyesine göre ayarlanabilir. Bu özellik, farklı bant aralıklarına sahip malzemelerin bir araya gelerek güneş ışığını daha geniş bir spektrumda toplayabildiği çok eklemli (multi-junction) güneş pili teknolojilerinde kritik bir rol oynar. Tek bağlantılı (single-junction) bir güneş hücresi için verim yaklaşık %30’dur. Daha fazla bağlantı ekleyebiliriz; örneğin altı tane, böylece teorik maksimum verimi %51,4’e kadar artırabiliriz. Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL), kuantum nokta güneş hücrelerinin (QDSC’ler) teorik maksimum verimini %66 olarak hesaplıyor.Üstelik bunlar, teorik olarak, çok daha kolay üretilebilir halde.
 

Kuantum noktaların, parlak renkli bir ölçekte, lüminesans (ışıma) özellikleri 

Araştırmalardan Son Gelişmeler

2024 yılı, kuantum nokta araştırmalarında dikkat çekici sonuçlar getirdi. Kore Üniversitesi ve Ulsan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü: Kuantum noktaları perovskit hücrelere entegre ederek kararlılığı ve hücre voltajını artırdı. Yük taşımayı yavaşlatan ligand maddeler, izopropil işlemiyle daha geçirgen hale getirildi. Başka bir Kore ekibi: Tamamen inorganik CsPbI₃ “siyah” perovskit tabanlı esnek kuantum nokta hücre geliştirdi. Oda sıcaklığında üretilen bu hücreler %12,7 verimle esnek PV teknolojisinde yeni bir rekor kırdı.


Karşılaşılan Engeller

Her ne kadar umut verici olsa da, kuantum noktaların bazı ciddi sorunları var:

► Toksisite: Çoğu formülasyonda kurşun, kadmiyum, arsenik ve cıva gibi zararlı metaller bulunuyor.

► Dayanıklılık: Nem, yüksek sıcaklık, yoğun ışık ve UV ışınları kuantum noktaların ömrünü kısaltıyor.

► Malzeme uyumu: Bazı panel malzemeleri ile etkileşim, kuantum noktaların hızla bozulmasına neden olabiliyor.

Bu nedenlerle, mevcut silikon tabanlı paneller uzun ömür avantajıyla hâlâ önde.


Sonuç

Kuantum noktalar, doğru formül ve mühendislikle güneş enerjisinde çığır açabilir. Dayanıklılık sorunları aşıldığında, panellerin verimliliğini iki katına çıkarma potansiyeline sahipler. Çözümler bulunmazsa bile, televizyon, akıllı telefon ve tıbbi cihazlarda kullanım alanlarını genişletmeye devam edecekler.


Kaynakça

[1] Wall Street Journal, “Supercharging Solar With Quantum Dots.” [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://www.wsj.com/articles/supercharging-solar-with-quantum-dots-d1188f9d
[2] A. J. Nozik, “Quantum dot solar cells,” Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, vol. 14, no. 1–2, pp. 115–120, 2002, doi: 10.1016/S1386-9477(02)00374-0.
[3] P. V. Kamat, “Quantum Dot Solar Cells. The Next Big Thing in Photovoltaics,” The Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 4, no. 6, pp. 908–918, 2013, doi: 10.1021/jz400052e.
[4] V. I. Klimov, Nanocrystal Quantum Dots. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2017.
[5] National Renewable Energy Laboratory (NREL), “Best Research-Cell Efficiencies.” [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html