Bugün çatılarımızdaki standart silikon paneller, güneş ışığının sadece belirli bir kısmını elektriğe çevirebilir (Tipik olarak %20-22 civarı). Kalan enerji ısı olarak kaybolur. Bu, silikonun malzemesel doğasından (sabit bant aralığı) kaynaklanan bir fiziksel sınırdır. Ancak bilim insanları, "yapay atomlar" olarak adlandırılan Kuantum Noktalar (Quantum Dots) ile bu sınırı aşmanın yolunu buldu. QD-PV teknolojisi, güneş spektrumunun tamamını yönetebilme yeteneğiyle üçüncü nesil fotovoltaiklerin en güçlü adayıdır.
Kuantum noktalar, boyutları sadece birkaç nanometre olan yarı iletken parçacıklardır. Onları eşsiz kılan özellik ise "Kuantum Sınırlama Etkisi" (Quantum Confinement) dir.
Bu parçacıkların boyutu değiştikçe, emdikleri ışığın rengi de değişir.
Büyük Noktalar (5-6 nm): Kırmızı ışığı emer.
Küçük Noktalar (2-3 nm): Mavi ışığı emer.
Bu özellik, mühendislerin güneş pilini, güneş ışığının tam olarak hangi dalga boyunu yakalayacağını seçecek şekilde "ayarlamasını" (Tunable Bandgap) sağlar. Silikonda bu ayar imkansızdır.
Tek katmanlı bir silikon hücre için maksimum teorik verim %33 civarındadır (Shockley-Queisser Limiti). Ancak Kuantum Nokta hücreleri için bu limit teorik olarak %44'ün, hatta çok katmanlı yapılarda %66'nın üzerine çıkabilir. Peki nasıl?
Standart bir güneş hücresinde, yüksek enerjili bir foton (örneğin mavi ışık) çarptığında bir elektron serbest kalır, ancak fotonun enerjisinin fazlası ısı olarak boşa gider. QD-PV teknolojisinde ise Multiple Exciton Generation (MEG) adı verilen bir fenomen gerçekleşir:
Yüksek enerjili tek bir foton, birden fazla elektronu (eksiton çiftini) serbest bırakabilir.
Bu, "1 birim güneş ışığından 2 veya 3 birim elektrik üretmek" anlamına gelir. Verimlilik artışının anahtarı budur.
Teori muazzam olsa da, pratik henüz oraya ulaşmadı. Şu an laboratuvar ortamında sertifikalı QD-PV verimliliği %18-19 seviyelerindedir. Bu oran düşük görünse de, teknolojinin çok yeni olduğu ve son 5 yılda katlanarak arttığı unutulmamalıdır.
Düşük Işık Performansı: Sadece doğrudan güneş ışığında değil, bulutlu havalarda veya iç mekan aydınlatmasında bile verimli çalışabilirler.
Üretim Maliyeti: Yüksek sıcaklık ve vakum gerektiren silikonun aksine, Kuantum Noktalar "mürekkep" gibidir. Basitçe plastik veya metal folyolar üzerine basılabilir (Solution Processing).
Esneklik ve Şeffaflık: Yarı şeffaf pencereler veya binaların dış cephesine giydirilen enerji üreten kaplamalar yapılabilir.
Yüzey Kusurları: Nanoparçacıkların yüzey alanı çok geniştir. Bu yüzeylerdeki atomik hatalar, üretilen elektronların "tuzağa düşmesine" ve verimin azalmasına neden olur. Ligand mühendisliği ile bu yüzeyler pasifleştirilmeye çalışılmaktadır.
Stabilite: Nem ve oksijen, kuantum noktaların yapısını bozabilir. Uzun ömürlü (20+ yıl) kullanım için çok iyi kapsülleme gerekir.
Toksisite: En verimli kuantum noktalar şu an için Kurşun (Pb) veya Kadmiyum (Cd) içermektedir. Çevresel regülasyonlar nedeniyle, toksik olmayan (örneğin İndiyum veya Bakır bazlı) alternatifler üzerinde yoğun Ar-Ge yapılmaktadır.
Kuantum noktalar, tek başına silikonu tahtından indirmeyebilir, ancak onun en iyi ortağı olabilir. "Tandem" (üst üste) hücrelerde, silikonun üzerine bir katman kuantum nokta sürerek, silikonun yakalayamadığı mavi ışığı enerjiye çevirmek ve toplam panel verimini %30'ların üzerine çıkarmak en yakın vadeli hedeftir. Güneş enerjisinin geleceği parlak ve "renkli" olacak.
