Güneş Panellerine Kahve Takviyesi

Sert, yağlı ve enerji dolu…

Kot pantolonla birlikte Amerika’nın kurulmasına yardımcı oldu.

Düşük gelir grubundan egzotik seçeneklere kadar bir dizi farklı insan grubunu etkiledi ve kendine özgü, sadık bir tüketici grubu oluşturdu.

Şehirli iş insanı ve plaza çalışanlarının en büyük kurumsallık simgesi olarak küçük çalışan gruplar tarafından da çokça taklit edildi ve imrenildi.

Türkiye’de 20 sene öncesine kadar yalnızca resmi misafirliklerde tüketilen bu içecek, bugün dinamik iş hayatının yasal olarak pazarda satılan kimyasal uyarıcısı olmuş durumda.

Siz de sabahları, kapısındaki şık insanlarla zamansız bir müze açılışını andıran o kuyrukta bekleyenlerden misiniz?

Haklı sebepleriniz olabilir. Bilim insanları kafein’in enerji verme konusundaki becerilerinin zannettiğimizden fazla olduğunu gösterdiler.

Kaliforniya Üniversitesi LA (UCLA) (University of California Los Angeles) ve Çin’deki Solargiga Energy’den bilim insanları, kafeinin; ışığın elektriğe dönüştürülmesinde geleneksel güneş hücrelerine oranla daha verimli bir alternatif oluşturmaya yardımcı olabileceğini keşfettiler. 25 Nisan’da Joule dergisinde yayınlanan araştırmaları, bu düşük maliyetli yenilenebilir enerji teknolojisinin, piyasada silikon güneş pilleriyle rekabet etmesini sağlayabilir.

“Daha iyi bir performans için onlar da kahveye ihtiyaç duyar mıydı?

Araştırmanın eğlenceli olan kısmı, sabah kahvesi üzerine yapılan bir şakayla başlıyor olması. Üstelik evrendeki kaos içinde, gidişatımızı belirleyen, hayatın üzerine kurulu olduğu küçük tesadüflere de iyi bir örnek.

UCLA Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde Profesör Yang Yang’ın genç doktora öğrencilerinden biri olan Jingjing Xue, perovksit güneş hücreleri üzerine konuşurken, konu birden sabah kahvesine geliyor ve  bir diğer meslektaşı Rui Wang O’na ilginç bir yorum da bulunuyor:

“Biz enerjiye ihtiyaç duyduğumuzda kahve içiyoruz. Peki ya perovksitler? Daha iyi bir performans için onlar da kahveye ihtiyaç duyar mıydı?”

Bu ani ve gelişi güzel yorum, eğlenceli bir gönderme olmanın dışında, aynı zamanda araştırma ekibinin; kahvenin içindeki kafeinin perovksit materyallerin öncüleriyle etkileşime giren yapıda moleküller içeren bir alkaloid bileşen olduğu gerçeğini hatırlamalarına da neden oluyor. Bu bileşiklerdeki kristal yapılar, güneş hücrelerinde ışığın elektriğe dönüştürüldüğü aktif tabakaların kristal yapılarıdır.

Perovksit tabakasını güçlendirme yoluyla bu güneş hücrelerinin termal stabilitesini arttırmaya yönelik önceki girişimler, dimetil sülfoksit gibi bileşikler ile daha önce denenmiş, ancak bilim insanları hücrelerin verimliliğini ve uzun süreli stabilitesini arttırmak için henüz tatmin edici bir yöntem bulamamışlardır.

Yine de bu mücadele sırasında kafein kimsenin aklına gelmemişti…

Kahve kokulu güneş hücreleri

Ekip konuyla ilgili bir şeyler yapabileceğini düşündü ve kahvelerini bırakıp daha fazla araştırmaya giriştiler.

Tam 40 güneş hücresinin perovksit tabakasına kafein ilave ettiler ve kafeinin hücrelerdeki aktif tabaka materyali ile başarılı bir şekilde bağlandığını belirlemek için Kızılötesi Spektroskopisi (kimyasal bileşikleri tanımlamak için kızılötesi radyasyon kullanan bir yöntem) kullandılar.

Daha fazla kızılötesi spektroskopi testlerinin yapılmasıyla, kafein içindeki “karbonil” gruplarının (bir oksijene çift bağlı bir karbon atomu), “moleküler bir kilit” oluşturmak üzere aktif tabakadaki kurşun iyonlarıyla etkileşime girdiğini gözlemlediler. Bu etkileşim, perovksit ince filmin reaksiyona girmesi için gereken minimum enerji miktarını arttırarak, güneş pili verimliliğini % 17’den % 20’ye çıkardı. 

Üstelik moleküler kilit yapısı, hücreler ısınırken çalışmaya devam etti. Bu da sıcaklık nedeniyle bozulan hücrelerdeki yüksek ısının, bir şekilde atılmasıyla, hücreleri bozulmaktan koruyabilir.

Yang’ın UCLA araştırma grubundaki doktora adayı öğrencisi Wang, “Sonuçlara şaşırdık” diyor. “Kafein kullanmaya başladığımız ilk denemede perovksit güneş pillerimiz, kağıt üzerinde elde ettiğimiz -neredeyse- en yüksek verime ulaştı.”

Endüstriyel sorunlara da çözüm getirmesi öngörülüyor

Ancak kafein, güneş ışığını emmek için aktif tabakalarında perovksit kullanan hücrelerin performansını önemli ölçüde arttırıyor gibi görünmekle birlikte, araştırmacılar, diğer güneş hücresi tipleri için aynı dopingin faydalı olacağını düşünmüyorlar. 

Şimdilik görünen o ki kafeinin benzersiz moleküler yapısı, yalnızca bu güneş pili çeşidinde bulunan ve pazarda bir avantaj sağlayabilecek durumdaki perovksit öncüleri ile etkileşime girmesine izin veriyor. Perovksit güneş pilleri zaten silikon emsallerinden daha ucuz ve daha esnek yapıda olma gibi bir avantaja sahip. Ayrıca üretimi daha kolay. Perovksit hücreler, silikon gibi katı kristal külçelerin aksine, çözelti bazlı öncülerden üretilebiliyor.

Daha fazla araştırma ile Wang, kafeinin, bir diğer önemli endüstriyel problem olan büyük ölçekli perovksit güneş pilleri üretimini de kolaylaştıracağına inanıyor.

“Kafein, perovksitin yüksek kristallik oranı, düşük kusur ve iyi stabilite elde etmesine yardımcı olabilir” diyor. “Bu, perovksit güneş hücrelerinin, ölçeklenebilir üretiminde potansiyel olarak rol oynayabileceği anlamına geliyor.”

Güneş hücrelerinin verimliliğini ve stabilitesini arttırmaya devam etmek için ekip, bir sonraki adımda kafein içeren perovksit malzemenin kimyasal yapısını daha fazla araştırmayı ve perovksitler için en iyi koruyucu malzemeleri belirleyip geliştirmeyi planlıyor.

Çalışmanın orijinaline aşağıdaki bağlantıdan ulaşabilirsiniz.

Rui Wang, Jingjing Xue, Lei Meng, Jin-Wook Lee, Zipeng Zhao, Pengyu Sun, Le Cai, Tianyi Huang, Zhengxu Wang, Zhao-Kui Wang, Yu Duan, Jonathan Lee Yang, Shaun Tan, Yonghai Yuan, Yu Huang, Yang Yang. Caffeine Improves the Performance and Thermal Stability of Perovskite Solar Cells. Joule, 2019; DOI: 10.1016/j.joule.2019.04.005