Yüksek akımlı perovskit ve u‑CIGS tandem güneş hücreleri için %30’un üzerinde verimlerle Silvaco TCAD modelleme, optik simülasyon ve optimizasyon

Daha akıllı güneş toplamayla daha temiz enerji

Dünya karbon emisyonlarını azaltırken artan enerji talebini karşılamanın yollarını ararken, güneş panellerinden gelen her ışınla daha fazlasını yapmaları bekleniyor. Bu çalışma, iki gelişmiş ışık emici materyali üst üste koyan yeni bir “tandem” güneş hücresi türünü inceliyor; amaç aynı güneş ışığından daha fazla elektrik elde etmek ve kurşun ile indiyum gibi nadir veya toksik elementlerden kaçınmak. Çalışma, bu tür bir tasarımın gerçekçi olarak %30’un üzerinde verimlere ulaşabileceğini göstermeyi amaçlayarak ayrıntılı bilgisayar simülasyonları kullanıyor; bu, bugün çatıdaki çoğu panelin ötesinde önemli bir ilerleme.

Güneş katmanlarını üst üste koymanın performansı artırma nedeni

Geleneksel güneş panelleri tek bir ışık emici katman kullanır; bu da yalnızca o malzemenin enerji bant aralığını aşan fotonları yakalayabildikleri anlamına gelir. Daha yüksek enerjili fotonlar fazla enerjilerini ısı olarak kaybeder, daha düşük enerjili fotonlar ise doğrudan geçer; her iki durum da güneş ışığının israfını temsil eder. Bir tandem güneş hücresi bunu iki farklı emici katmanı üst üste koyarak çözer. Üst katman spektrumun daha mavi, daha enerjik bölümünü yakalayacak şekilde ayarlanırken, alt katman içinden geçen daha kırmızı, daha düşük enerjili ışığı yakalayacak şekilde ayarlanır. Her katman kendi ideal enerji aralığına daha yakın çalıştığı için, birleşik cihaz gelen güneş ışığının daha büyük bir kısmını elektrik enerjisine dönüştürebilir.

Daha yeşil bir tandem inşa etmek: kurşunsuz ve indiyumsuz

Yazarlar, üst hücrenin metilamonyum bismut iodür (MBI) adlı kurşunsuz bir perovskitten, alt hücrenin ise iyi bilinen CIGS yarıiletkeninden (bakır indiyum galyum selenür) oluştuğu iki katmanlı bir cihaz tasarlıyorlar. Şeffaf ön elektrottaki nadir bulunan indiyum kullanımından kaçınmak için yaygın olarak kullanılan indiyum kalay oksit (ITO) yerine flor katkılı kalay oksit (FTO) kullanıyorlar. FTO yalnızca tedarik endişelerinin önüne geçmekle kalmaz, aynı zamanda daha yüksek sıcaklıklara ve mekanik aşınmaya daha iyi dayanır; bu da büyük ölçekli üretim için cazip kılar. Simüle edilen tek başına FTO destekli MBI hücresi %15’in üzerinde verime ulaşıyor ve bu, altına CIGS katmanını yerleştirerek üst üste koyma için sağlam bir temel oluşturuyor.

Dikkatli ayarlamanın yüksek verimi nasıl açığa çıkardığı

Sadece bir hücreyi diğerinin üzerine koymak daha iyi bir panel garanti etmez: seri bağlı olduğunda her iki alt hücrenin de aynı elektrik akımını sağlaması gerekir; aksi takdirde zayıf olan tüm cihazı sınırlar. Bunu çözmek için araştırmacılar, üst ve alt hücrelerden gelen akımı çok küçük bir marja kadar eşleyecek şekilde MBI katman kalınlığını hassaslaştırmak için iki aşamalı sayısal bir arama kullanıyor. Ayrıca, cam kaplama ve FTO ön kontaktan perovskit ve çok ince altın bazlı bir bağlantı elemanına, oradan CIGS filme ve metal arka kontağa kadar her katmandan geçen ışığın nasıl yansıdığı, girişim yaptığı ve emildiğini modelliyorlar. Aynı zamanda elektron ve deliklerin nasıl hareket ettiğini, yeniden birleştiğini ve toplandığını fiziksel modeller kullanarak hesaplıyor; bu modeller gerçek tek hücre deneyleriyle doğrulandı.

Simülasyonların tandem hücre hakkında ortaya koydukları

Bu ayrıntılar yerinde olduğunda, simüle edilen tandem cihaz üstte yaklaşık 420 nanometre kalınlığında bir MBI katmanı ve altta 500 nanometre CIGS katmanı kullanıyor. Üst hücre yaklaşık 650 nanometreden daha kısa dalga boylarındaki neredeyse tüm ışığı soğururken, daha uzun dalga boylu fotonlar geçiyor ve CIGS tarafından verimli şekilde yakalanıyor. Sonuç her iki katmanda da yaklaşık 20 miliamper/santimetrekareye yakın paylaşılan bir akım yoğunluğu. Malzeme kusurları ve optik kayıplar açısından idealleştirilmiş varsayımlar altında model yaklaşık %36’lık çarpıcı bir güç dönüşüm verimi üretiyor. Yazarlar daha gerçekçi düzeyde kusurlar ve ara yüz kayıplarını hesaba kattıklarında performans yaklaşık %30 civarına oturuyor; bu yine de çoğu ticari tek birleşimli panellerin çok üzerinde ve son yıllarda bildirilen en iyi tandem prototipleriyle uyumlu.

Bu yaklaşımın gelecekteki güneş panelleri için neden önemi var

Uzman olmayanlar için temel mesaj şudur: egzotik yeni fiziğe değil, akıllı tasarıma dayanarak güneş panelleri bugünkü verim sınırlarının çok ötesine itilebilir. Mavi ışığa ayarlı kurşunsuz bir perovskiti kırmızı ışığa ayarlı bir CIGS katmanının üzerine istifleyerek ve nadir indiyumu daha dayanıklı FTO cam ile değiştirerek, yazarlar daha temiz, daha güçlü ve daha sürdürülebilir güneş modüllerine doğru bir yol haritası çiziyor. Simülasyonları hangi katman kalınlıklarının, kontak malzemelerinin ve ara yüz kalitelerinin en önemli olduğunu gösteren bir yol haritası işlevi görüyor. Malzeme bilimcileri laboratuvarda ve fabrikada bu koşullara yaklaşabilirlerse, gelen güneş ışığının üçte birini veya daha fazlasını elektriğe çeviren güneş panelleri pratik bir gerçeklik haline gelebilir; bu da daha az panel, daha az arazi ve daha düşük çevresel etkiyle küresel enerji ihtiyaçlarını karşılamaya yardımcı olur.

Atıf: Mosalanezhad, R., Shayesteh, M.R. & Pourahmadi, M. Silvaco TCAD modeling, optical simulation, and optimization for high-current perovskite and u-CIGS tandem solar cells with efficiencies above 30%. Sci Rep 16, 8611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39816-6

Anahtar kelimeler: tandem güneş hücreleri, perovskit fotovoltaikler, CIGS ince film, kurşunsuz güneş malzemeleri</keyword-k> <keyword>güneş hücresi simülasyonu