Şeffaf Grafen Elektrotlar Yeni Nesil Güneş Hücrelerinin Üretiminde Kullanılabilir

Çeviren: Mert Günçiner                             

Yazan: David L. Chandler

Düzenleyen: Esranur Maral

Özet: Yeni keşfedilen rulodan ruloya baskı yöntemi sayesinde hafif ağırlıklı ve esnek yapıdaki güneş hücreleriyle birlikte yeni nesil cihaz ekranlarına da merhaba diyebiliriz.

Atomik düzeyde inceliğe sahip olan ve uzun tabakalar boyunca yayılan kaliteli grafen yapımı, son derece hafif ağırlıkta ve esnek özellikteki güneş hücrelerinin ve diğer birçok ışık yayan cihaz ve elektronik teknolojisinin önünü açabilir.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde (MIT) yeni bir üretim yöntemi geliştirildi. Endüstriye de kolaylıkla uygulanabilecek bu yöntemin kilit noktası malzemenin orta katmanında ‘’tampon’’ bir bölge içermesi. Nanometreden de (metrenin milyarda biri) küçük boyutlara sahip olabilen grafen tabakası, bu tampon katman sayesinde rulodan ruloya baskı üretimlerinde kolaylıkla kullanılabilir.

Advanced Functional Materials adlı dergide yayımlanan bu işlem doktora sonrası çalışmalarını MIT’de devam ettiren Giovanni Azzellino ve Mahdi Tavakoli; profesörler Jing Kong, Tomas Palacios ve Mark Buehler ile MIT’de çalışan diğer beş profesör tarafından keşfedildi.

Elektronik cihazlarda kullanılan ince tabakalar söz konusu olduğunda bu tabakaların kapladıkları alanların büyütülmesi, kalınlıklarının daha da inceltilebilmeleri ve açık havada kararlı yapılarını koruyabilmeleri yıllar boyunca bu teknolojinin ana konularından biri oldu. Optoelektronik cihazlarda kullanılan, bilgisayar ve telefon ekranlarında ışık yaymayı sağlayan veya güneş enerjisindeki gibi bu ışığı ürün olarak kullanabilmek gibi şu anki teknolojimizde önemli yer kaplayan bu özellikler ince tabaka teknolojisi sayesinde mümkün oldu. Bugün bu uygulamalarda kullanılan indiyum kalay oksit (ITO) son derece pahalı ve bir o kadar da nadir bulunan elementlerden elde edilen bir madde.

Çeşitli araştırma grupları organik ve inorganik maddelerle çalışarak ITO’nun yerine geçebilecek yeni bir malzeme bulmaya çalıştılar. Grafen denilen saf karbon atomlarını düz bir altıgen dizisi üzerinde taşıyan ve aynı zamanda son derece iyi kalitede elektriksel ve mekanik düzeyde kullanışlı özellikleri olan bir malzeme. Bununla birlikte olabildiğince ince, fiziksel olarak esnetilebilen bir yapıda olan bu malzeme bolca bulunan ucuz maddelerden yapılabiliyor. Grafen ayrıca kimyasal buhar birikimi (CVD) denilen bir yöntemle bakır ve bir tohum tabakası kullanılarak kolaylıkla yetiştirilebiliyor. Fakat bu malzemenin cihazlarda kullanılabilmesi için öncelikle CVD ile yetiştirilmiş grafenin içerdiği doğal bakır tabakasından koparılması gerekiyor.

Grafen aktarma süreci de denilen bu işlem tabakalar üzerinde yırtıklara, buruşukluklara ve başka hasarlara sebep oluyor. Bu hasarlar söz konusu olduğunda da elektriksel iletkenlik ciddi bir kayba uğruyor. Azzelino’ya göre bu yeni teknoloji sayesinde büyük alanlara yayılabilecek grafen tabakalarını aktarma süreci sırasında herhangi bir hasara sebebiyet verip elektriksel ve mekanik özelliklerinde kayba uğratmadan üretmek artık mümkün.

Bu aşamada tampon katman önemli bir rol oynuyor. Çoğuz (polimer) bir yapıya sahip olan parilen maddesi grafen tabakalarının oturduğu atomik düzeydeki bölgelerde bulunuyor. Grafen gibi parilen de CVD ile elde ediliyor ve bu da üretim aşamasını ve ölçeklenebilirlik işlemlerini daha da basit hale getiriyor.

Bu teknolojinin tanıtımı sırasında bir çalışma grubu, ince tabakalı ve çoğuz yapıda bir güneş hücresi malzemesiyle yeni oluşturulmuş bir grafen tabakasını kullandı. Güneş hücresinin iki elektrotunu ve cihazlar için tabaka görevi de görebilen parilen maddesini de beraber kullanarak görünür ışık altında optik geçirgenliği %90’a ulaşabilen bir grafen zarı üretmeyi başardılar.

İlk örnek olarak kullanılabilecek olan bu grafenli güneş hücresi indiyum kalay oksitle yapılmış güneş hücrelerinden ağırlık başına neredeyse 36 kat daha fazla güç aktarımı yapmayı başardı. Aynı zamanda, elektrotun geçirgenliği için malzemenin sadece birim alanı başına 1/200’lük alanı kullanılıyor. İşin temelinde daha da önemli bir şey bulunduğunu belirten Azzelino şöyle diyor: ‘’Grafen neredeyse bedavaya geliyor.’’

‘’Son derece hafif ağırlıktaki grafenlerle yapılmış cihazlar günümüzde yepyeni uygulamaların mümkün kılınmasını sağlayabilir. Taşınabilir cihazlar söz konusu olduğunda onların ağırlık başına taşıyabildikleri güç miktarları oldukça önemli bir konu.’’ diyen Azzelino, ‘’Eğer kullandığınız cihazın ekranına geçirgenlik özelliğine sahip güneş hücrelerini yerleştirebilseydik ve bu sayede cihazınızın gün içinde kendi kendini şarj etmesini sağlayabilseydik neler olurdu?’’ diye soruyor. Yeni çalışmalara hâlâ ihtiyaç olduğunu belirterek buna benzer imkânların bu yeni yöntem sayesinde eninde sonunda mümkün olacağını söylüyor.

Tampon malzemesi olan parilen halihazırda mikroelektronik sanayisinde cihazların güvenliği için yapılan kaplamalarda yaygın bir şekilde kullanılıyor. Dolayısıyla gerekli olan pazar ve tedarik zinciri sağlanmış durumda. Azzelino’ya göre yapılan testlerle var olan üç çeşit parilen türünden bir tanesinin diğerlerine oranla daha çok klor atomu içerdiği bulundu. Uygulamalar için bahsi geçen bu parilen türünün kullanılması bekleniyor.

Çok miktarda klor içeren parilenle altında yer alan grafenin tost şeklinde yerleştirilmeleri sebebiyle birbirlerine atomik düzeyde yakın bulunmaları çeşitli avantajlar sağlıyor. İyi elektrik iletkenliğine sahip olmaları, grafenin büyük alanları kaplayabilmesi, ayrıca bunun güvenli ve dayanıklı bir çözüm yoluyla sağlanabilmiş olması senelerce başarılamamıştı.

Grafen ile parilen tabakalarının yüz yüze bulunmalarının grafen tabakasına bir ‘’uyarıcı etkisi (doping etkisi)’’ yarattığını belirten Azzelino, ‘’Birbirleriyle sürekli dip dibe olmaları sebebiyle bu avantaj her zaman sağlanmış olacak.’’