Çin'deki Guangdong Teknik Üniversitesi'nden araştırmacılar, biyokütleden elde edilen lignini kullanarak güneş hücrelerini daha verimli hâle getirmeyi başardı.
Güneş Hücrelerinde Lignin Bazlı Gümüş Pasta Kullanıldı
Bu çalışmanın merkezinde, kristal silisyum ile ince amorf silisyum katmanlarını bir araya getirerek yüksek verimlilik elde etmeyi amaçlayan bir güneş hücresi teknolojisi olan HJT (heterojunction) güneş hücreleri bulunuyor. Bu hücrelerde elektrik akımını dışarı taşımak için yüzeye iletken metal kontaklar basılıyor ve bu işlemde genellikle yüksek miktarda gümüş içeren pastalar kullanılıyor. Gümüş parçacıklarının hücre yüzeyine düzgün şekilde basılmasını sağlayan reçineler ise pastanın mekanik dayanıklılığı, yüzeye yapışması ve kürleme süreci açısından kritik önem taşıyor.
Ancak geleneksel reçinelerin petrol bazlı olması hem üretim maliyetleri hem de sürdürülebilirlik açısından dezavantaj oluşturuyor. Araştırmacılar bu nedenle odun hamuru ve biyoyakıt üretimi gibi süreçlerin yan ürünü olarak ortaya çıkan lignine yöneldi. Bol miktarda bulunan ve düşük maliyetli bir biyopolimer olan lignin; ultraviyole ışığı absorbe edebilmesi, antioksidan özellikleri, termal kararlılığı ve çeşitli reaktif kimyasal grupları sayesinde reçine sistemlerinde kullanılabilecek özelliklere sahip.
Araştırmada ligninin gümüş pastaya eklenmesi için iki farklı yöntem test edildi. İlk yöntemde fraksiyonlara ayrılmış alkali lignin, petrol bazlı bisfenol F epoksi reçinenin bir bölümünün yerine doğrudan kullanıldı. İkinci yöntemde ise lignin kimyasal olarak değiştirilerek epoksitlenmiş lignine, yani LEP'e dönüştürüldü. Bu malzemenin yalnızca reçinenin bir kısmının yerini alması değil, aynı zamanda kürleme sırasında oluşan kimyasal bağlanma ağına aktif olarak katılması hedeflendi. Araştırmacılar bu kapsamda iki farklı lignin türünü, alkali lignin (AL) ve enzimatik hidroliz ligninini (EHL) inceledi.
Lignin, Hücre İçerisindeki Elektriksel Kayıpları Azalttı
Analizler, özellikle optimize edilen LEP formülasyonunda gümüş parçacıklarının daha yoğun şekilde paketlendiğini ve pasta içerisindeki boşlukların azaldığını gösterdi. Bunun sonucunda gümüş elektrotlarla silisyum yüzeyi arasındaki temas iyileşirken, elektrik akımının ilerleyebileceği daha sürekli iletken yollar oluştu. Araştırmacılara göre bu değişimler, hücre içerisindeki elektriksel kayıpların azaltılmasına yardımcı oldu.
LEP'in bir diğer önemli katkısı ise gümüş pastanın baskı özelliklerinde görüldü. Araştırmacılar, optimize edilen formülasyonun basılan metal parmakların en-boy oranını yüzde 89,57 artırdığını belirledi. Aynı zamanda temas direnci yüzde 62,43 oranında azaltıldı ve elektrotların yüzeye yapışma özellikleri geliştirildi. Böylece lignin yalnızca petrol bazlı reçinenin bir bölümünün yerini alan pasif bir malzeme olarak kalmadı; kürleme sırasında reçine ağına katılarak pastanın yapısal ve elektriksel özelliklerini de etkiledi.
Hücrelerde Verimlilik Yüzde 25.96'ya Yükseldi
Bu iyileştirmelerin tamamı HJT güneş hücresinin performansına da yansıdı. Araştırmacılar, optimize edilen LEP bazlı gümüş pastanın kullanıldığı hücrelerde güç dönüşüm verimliliğinin yüzde 25,01'den yüzde 25,96'ya yükseldiğini tespit etti.
Araştırmacılara göre bunun temelinde, uygun miktardaki epoksitlenmiş ligninin kürleme ve çapraz bağlanma reaksiyonlarını desteklemesi yatıyor. Böylece gümüş pasta içerisinde daha kararlı üç boyutlu bir yapı oluşuyor; bu yapı pastanın akış özelliklerini, baskı sırasında oluşan metal ızgaranın geometrisini, elektrot ile silisyum arasındaki teması ve elektriksel iletkenliği iyileştiriyor.
Çalışma, güneş hücrelerinde kullanılan petrol bazlı reçinelerin en azından bir kısmının yenilenebilir bir bir alternatifle (lingin) değiştirilebileceğini ortaya koyuyor. Özellikle yüksek verimli HJT hücrelerinde hem üretim sürecinin sürdürülebilirliğini artırması hem de hücre verimliliğine katkı sağlaması, lignin bazlı gümüş pastaları gelecekteki güneş paneli üretimi açısından dikkat çekici bir alternatif hâline getirebilir.
