Işık Enerjisinde Rekor Verimlilik

Aalto Üniversitesi araştırmacıları % 130’un üzerinde verime ulaşan siyah bir silikon fotodedektör geliştirdiler. Böylece ilk kez, bir fotovoltaik cihaz, daha önce dış kuantum verimliliği için teorik maksimum olarak kabul edilen % 100 sınırını aştı.

Varsayımsal bir fotovoltaik cihazın dış kuantum verimliliği % 100 ise, ona çarpan her ışık fotonunun devreden çıkan ve elektrik olarak kullanılabilen bir elektron ürettiği anlamına gelir. Bu yeni sistem, yalnızca % 100 verimliliğe ulaşmakla kalmayıp, onu aşan ilk cihaz oldu. Yüzde 132, her foton için ortalama 1,32 elektron elde edeceğiniz anlamına gelir. Bu yüksek verimli sistem, aktif malzeme olarak, UV ışığını soğuran, konik ve çubuk şeklindeki nano yapılara sahip, siyah silikon kullanılarak üretildi.

Elbette bir elektronun 0,32’sine sahip olamazsınız, ancak başka bir şekilde anlatmak gerekirse, bu sistemde tek bir fotondan iki elektron üretme şansınız yüzde 32’dir diyebiliriz. Bu ilk başta imkânsız gibi gelebilir; sonuçta fizik, enerjinin yoktan yaratılamayacağını dikte eder. Peki bu fazladan elektronlar nereden geliyor?

Bu, genel olarak fotovoltaik malzemelerin nasıl çalıştığıyla ilgilidir. Gelen ışığın bir fotonu aktif malzemeye (genellikle silikona) çarptığında, atomlarından birindeki elektronu kırar. Ancak bazen, belirli koşullar altında, yüksek enerjili bir foton, herhangi bir fizik yasasını ihlal etmeden iki elektronu dışarı atabilir.

Araştırmacılar, olağanüstü yüksek dış kuantum verimliliğinin kaynağının, yüksek enerjili fotonlar tarafından tetiklenen silikon nano yapıların içindeki yük taşıyıcı çoğaltma işleminde yattığını keşfettiler. Elektriksel ve optik kayıpların varlığı, toplanan elektronların sayısını azalttığından, kullanımda olan gerçek cihazlarda bu fenomen daha önce gözlemlenmemiştir.

Birçok fotovoltaik malzemede verimlilik, cihazdan öteye yansıyan fotonlar veya devre tarafından toplanmadan önce atomda bıraktıkları “yük boşluğu” ile yeniden birleşen elektronlar dahil olmak üzere çeşitli şekillerde kaybolur.

Ancak Aalto ekibi, bu engellerin büyük ölçüde kaldırıldığını söylüyor. Siyah silikon, diğer malzemelerden çok daha fazla foton emer ve koni ve çubuk nano yapıları, malzemenin yüzeyindeki elektron geri emilimini azaltır.

Uygulamada, bu rekor verimlilik, fotodedektör ile çalışan herhangi bir cihazın performansının büyük ölçüde geliştirilebileceği anlamına gelir. Güneş enerjisi ve ışık toplayıcı sistemler gündelik yaşamımızda, örneğin arabalarda, cep telefonlarında, akıllı saatlerde ve tıbbi cihazlarda zaten yaygın olarak kullanılıyor.