Giriş
Güneş enerjisi sektörü küresel ölçekte hızla büyürken, yıllık fotovoltaik (FV) güneş paneli kurulum kapasitesi 240 GW seviyesine ulaşmıştır. Bu hızla 2030 yılına kadar yılda 3 TW gibi devasa bir kurulum kapasitesine erişileceği öngörülmektedir. Bununla birlikte, güneş panellerinin 25-30 yıl civarı olan ömürleri sonunda oluşacak atık miktarı da endişe vericidir. Tahminlere göre 2050 itibarıyla 54 ila 160 milyon ton FV güneş paneli atığa ulaşacaktır.[1] Bu durum, sürdürülebilirlik açısından güneş panellerinin geri dönüşümünü kritik bir konu haline getirmektedir. Ancak geleneksel FV güneş paneli tasarımları, özellikle içerdiği polimer katmanlar nedeniyle geri dönüşüm süreçlerini zorlaştırmaktadır. Güneş panellerinde hücreleri cam tabakalara yapıştırmak ve çevresel etkilere karşı korumak için kullanılan polimer esaslı yapışkan/enkapsülant (örneğin EVA) ve arka tabaka malzemeleri, panel ömrü sonunda malzemelerin ayrıştırılmasını güçleştirir. Polimerler termal ve kimyasal işlemlere dirençli yapıda olduğundan, cam ve silikon gibi değerli malzemelerin geri kazanımını hem ekonomik olmayan hem de çevresel açıdan problemli hale getirir. Nitekim geri dönüşüm sektöründe “en büyük engel panel içindeki polimerlerdir” şeklinde dile getirilen bir görüş birliği oluşmuştur.[2] Bu nedenle, panel yapısında polimer kullanımını ortadan kaldıracak yeni tasarım ve üretim yöntemleri büyük ilgi çekmektedir.
Bu inceleme makalesinde, polimersiz çift camlı güneş paneli üretimini mümkün kılan yenilikçi bir yaklaşım ele alınmaktadır. Özellikle femtosaniye lazerle cam kaynağı yöntemi üzerinde durularak, bu teknolojinin güneş paneli üretiminde ve ömrünü tamamlayan panellerin geri dönüşümünde sağladığı avantajlar incelenecektir. Ayrıca polimer içermeyen cam-cam modül tasarımlarının genel avantajları, mevcut veya potansiyel dezavantajları ve bu dezavantajlara yönelik çözüm önerileri literatür ışığında değerlendirilecektir. Hem yatırımcılar ve sektör uzmanları için pratik çıkarımlar sunmayı, hem de konuya ilgi duyan genel okuyucuya teknik detayları anlaşılır bir dille aktarmayı hedefliyoruz.
Polimer Kullanımının Sorunları ve Polimersiz Cam-Cam Tasarımının Avantajları
Geleneksel fotovoltaik modüllerde güneş hücreleri, ön ve arka katman olarak kullanılan iki cam (veya cam+polimer arka levha) arasında, genellikle EVA gibi bir polimer enkapsülant ile lamine edilir. Bu polimer tabaka hücreleri yerinde sabitler, mekanik yükleri dağıtır ve nem gibi dış etkenlerden korumaya yardımcı olur. Ancak zamanla polimer tabakada sararma (renk bozulması) ve delaminasyon (katman ayrışması) meydana gelebilir, bu da panel performansını düşürür ve arızalara yol açar.[3] Polimerlerin fototermal yaşlanması sonucu açığa çıkan asidik yan ürünler (örneğin EVA’nın bozunmasıyla oluşan asetik asit) hücre yüzeylerinde korozyona ve Potansiyel İndüklemeli Bozulma (PID) gibi sorunlara sebep olabilmektedir.[4] Benzer şekilde, polimer arka levhalar UV ışınım ve termal çevrimler altında çatlayıp parçalanabilir. Tüm bu nedenlerle, modüllerde polimer kullanımının azaltılması veya tamamen kaldırılması, panel ömrünü uzatma ve performans düşüşünü minimize etme açısından cazip görülmektedir.
Polimer içermeyen cam-cam panel tasarımı, iki cam plakayı doğrudan birbirine sızdırmaz biçimde birleştirerek hücreleri koruma fikrine dayanır. Arada yapışkan bir katman olmadığından “sandviç” yapıda potansiyel zayıflık oluşturan bir öğe elimine edilmiş olur. Bu yaklaşımın öne çıkan avantajlarından biri, panelin hermetik şekilde kapatılabilmesidir. Camların doğrudan birleştirilmesiyle elde edilen hermetik sızdırmazlık sayesinde modül içine nem girişi önlenir ve içeride kontrollü bir atmosfer korunabilir. Böylece hücreler dış ortamın bozucu etkilerinden tamamen yalıtılmış olur. Özellikle yeni nesil perovskit güneş pilleri gibi neme ve oksijene son derece duyarlı teknolojiler için, polimersiz ve hermetik cam-cam paketleme önemli bir avantaj sağlayacaktır (geleneksel yapılarda bu hücreleri korumak için ekstra bariyer katmanlar kullanmak gerekirken, lazerle kaynatılmış cam modülde “bir engel daha” ortadan kalkmaktadır).
Bir diğer kritik avantaj, bu tasarımın geri dönüşüm kolaylığıdır. Polimer yapıştırıcılar ortadan kalktığında, modül ömrünü tamamladığında basitçe kırılıp parçalanarak temel bileşenlerine ayrılabilir.[5] NREL tarafından yapılan kavramsal çalışmaya göre femtosaniye lazer kaynaklı cam-cam paneller, kullanım ömrü sonunda “tuzla buz” edilerek cam, metal bağlantı telleri ve güneş hücresi yarı iletken malzemelerinin kolayca ayrışmasını ve geri kazanımını mümkün kılmaktadır. Günümüzde geleneksel panellerin geri dönüşümünde en zorlu adım olan polimer tabakanın ayrıştırılması sorunu, bu yeni tasarım sayesinde tamamen ortadan kalkmaktadır. Bu durum, hem ekonomik açıdan geri dönüşüm verimliliğini artıracak hem de milyonlarca tonluk panel atığının yeniden hammaddeye dönüştürülmesini kolaylaştıracaktır. Örneğin, polimersiz cam-cam modüller, sadece cam ve metallerden oluşan bir yapı sergilediği için tüm bileşenler neredeyse %100 oranda yeniden kullanılabilir veya geri dönüştürülebilir hale gelir.
Polimer kullanılmamasının bir diğer getirisi de optik ve termal performanstaki iyileşmedir. Enkapsülant polimerler bir miktar güneş ışığını soğurur ve panel içerisinde ısıya dönüştürür. Polimerin elimine edilmesiyle cam yüzeyler arasındaki gereksiz ışık soğurma etkisi azalır; sonuçta panelin çalışma sıcaklığı bir miktar düşebilir ve hücreler daha verimli koşullarda çalışabilir. Aynı zamanda ışığın hücrelere ulaşması önündeki ara katman kalktığından, uygun kaplamalarla optik kayıpların da azaltılması mümkündür. Isıl gerilmelerin düşük olması ve bozulma mekanizmalarının minimize edilmesi sayesinde, polimersiz cam-cam modüllerin potansiyel hizmet ömrünün 50 yıla kadar uzatılabileceği öngörülmektedir. Bu da segment için seviyeleşmiş enerji maliyetini (LCOE) düşürme potansiyeli taşıyan önemli bir avantajdır. NREL araştırmacıları, polimersiz lazer kaynaklı tasarımın “50 yılın üzerinde modül ömrü” hedefiyle fotovoltaik endüstrisinde yüksek risk-yüksek getiri vadeden bir yönelim olduğunu vurgulamaktadır.
Son olarak, üretim maliyetleri ve süreç süreleri açısından da bu yaklaşımın rekabetçi olabileceğine dair işaretler mevcuttur. Polimer laminasyon prosesinin kaldırılması hem malzeme maliyetlerini düşürmekte hem de üretim hattında önemli zaman tasarrufu sağlamaktadır. Örneğin Fraunhofer ISE tarafından geliştirilen benzer bir polimersiz cam-cam modül prototipinde (TPedge konsepti), laminasyon adımının atlanması sayesinde üretim süresinin kısaldığı ve toplam maliyetin geleneksel modüllere kıyasla yaklaşık %2 daha düşük olduğu rapor edilmiştir.[6] NREL’in femto-lazer yöntemi için de benzer şekilde, ekipmanın sermaye maliyetinin mevcut laminasyon hatlarına yakın olacağı ve camların lazerle kaynaklanmasının 15 dakikadan kısa sürede tamamlanabileceği belirtilmektedir. Bu süre, günümüz laminasyon çevrim süreleri ile karşılaştırılabilir düzeydedir. Dolayısıyla polimersiz üretim, sadece çevresel ve performans boyutunda değil, fabrikasyon verimliliği açısından da sektör için uygulanabilir bir seçenek olarak belirmektedir.
Şekil 1: Femtosaniye lazerle cam-cam panel kenarlarının kaynaklanması konsepti (NREL). Ultrafast lazer kafası, panel kenarı boyunca kontrollü bir odaklanmış ışın tarayarak iki cam tabakayı yerel olarak eritip birleştirir. Bu sayede panel polimer malzemeye gerek kalmadan hermetik olarak kapatılır. Kaynak işlemi çok kısa süreli atım demetleriyle yapıldığı için ısıl etki sadece birkaç milimetrelik bir bölgeyle sınırlı kalır.Böylece cam tabakaların birleşimi gerçekleşirken içerideki güneş hücreleri ısıdan zarar görmez.
Femto Lazerle Cam Kaynağı Yöntemi ve Uygulaması
Polimersiz bir çift cam panel üretmek için, iki cam tabakayı güçlü ve sızdırmaz bir şekilde bir arada tutacak alternatif bir birleştirme tekniğine ihtiyaç duyulur. İşte femtosaniye lazerle cam kaynağı tam da bu noktada devreye giren yenilikçi bir çözümdür. Femtosaniye lazerler, saniyenin katrilyonda biri mertebesindeki (10^-15 sn) ultra kısa lazer atımlarını üretebilen özel sistemlerdir. Bu denli kısa ve yoğun lazer atımları, cam gibi şeffaf malzemelerin arayüzünde odaklandığında küçük bir plazma oluşturup camı lokal olarak ergitebilir.[7] NREL’de gerçekleştirilen çalışmada, düşük demir içerikli (yüksek geçirgenlikli) güneş enerjisi camları, özel bir optik düzenekle odağı uzatılmış bir femtosaniye lazer ile dolgu malzemesi eklenmeden yüzey yüzeye kaynatılmıştır.[8] Lazer ışını camların birleşim kenarı boyunca tarama yaparken, her iki cam tabakayı milimetre mertebesinde küçük bir bölgede eritip birbirine bağlayacak bir kaynak dikişi yaratır. Bu işlem boyunca oluşan ısı etkisi sadece lazer odağının yakın çevresiyle sınırlı olduğundan, camın birkaç milimetre ötesindeki güneş hücreleri ve diğer hassas bileşenler ısıdan etkilenmez.[9]
Femtosaniye lazer kaynak yöntemiyle elde edilen cam-cam birleşiminin dayanıklılığı, konvansiyonel tekniklerle kıyaslandığında son derece olumludur. NREL araştırmacıları, oluşturulan lazer kaynaklarının mekanik mukavemetini test ettiklerinde, kaynak bölgesinin sağlamlığının neredeyse camın kendisiyle eşdeğer olduğunu belirlemişlerdir. Baş araştırmacı Dr. David Young, “cam kırılmadığı sürece kaynağın da kırılmayacağını” ifade ederek lazer dikişinin ne denli güvenilir bir bağ oluşturduğunu vurgulamaktadır. Gerçekten de yapılan gerilme testlerinde femto-lazer kaynaklı cam birleşimlerinin, standart bir güneş panelinin maruz kalması öngörülen 5400 Pa’lik statik yükü taşıyabildiği gösterilmiştir. Bu yük değeri, IEC 61215 standartlarında tanımlanan sert rüzgâr ve kar baskısı koşullarını karşılamak için gereklidir. Dolayısıyla lazer kaynaklı modüller, doğru tasarım uygulandığında mevcut dayanıklılık standartlarını yakalayabilmektedir.
Femto lazer teknolojisinin bir diğer önemli tarafı, önceki kuşak lazerlere kıyasla cam kaynağında sağladığı üstünlüktür. Geçmişte nanosaniye (10^-9 sn aralığında) darbeli lazerlerle ve cam frit (toz cam) dolgularıyla camları birleştirme denemeleri yapılmışsa da, elde edilen kaynaklar kırılgan olmuş ve dış ortama dayanıklı modüller üretmek mümkün olamamıştır. Femtosaniye lazerler ise çok daha kısa darbelerle doğrusal olmayan bir etkileşim yaratarak camın enerji emmesini sağladığından, geride kalan kaynak dikişi hem güçlü hem de tam sızdırmaz bir karakter taşır. NREL ekibi, bu yöntemin kalıcı ve hermetik bir cam-cam sızdırmazlığı sağladığını ve maliyet açısından da “ilgi çekici” seviyelerde olduğunu rapor etmektedir. Lazer sistemi ile kurulan üretim hattının sermaye giderleri (CapEx) mevcut laminasyon ekipmanına yakın bulunmuş ve işlem süreleri de benzer aralıklarda seyretmiştir. Kısaca, femto lazerle cam kaynağı konsepti laboratuvar ölçeğinde kanıtlanmış ve pratik uygulamaya yönelik önemli bir potansiyel ortaya koymuştur.
Tasarım ve Üretim Açısından Zorluklar ve Çözüm Önerileri
Polimer içermeyen cam-cam güneş panellerinin vaadettiği avantajlar büyük olsa da, bu yeni yaklaşımın yaygın üretimine geçilebilmesi için çözülmesi gereken bazı teknik zorluklar vardır. Bunların başında yapısal tasarım ve mekanik dayanıklılık gelmektedir. Polimer enkapsülant, geleneksel modüllerde hücreleri sabitlemenin yanı sıra belirli bir mekanik amortisör görevi de görür; cam tabakaları birbirine ve hücrelere bağlayarak yük altında gerilimi dağıtır. Polimer olmaksızın iki camın sadece kenarlardan kaynakla tutturulduğu bir modülde, panelin rijitliği (eğilme direnci) başlangıçta daha düşük olabilir. NREL’in çalışması da polimersiz modülün yeterince sert olabilmesi için tasarımda bazı değişikliklerin şart olduğunu ortaya koymuştur. Özellikle, lazer kaynaklı cam-cam modüllerin sağlam kalabilmesi için çerçevelendirilmesi ve desteklenmesi gerektiği, ayrıca cam panellerin kenar kısımlarında hücrelerin oturacağı ve kaynak dikişlerinin oluşturulacağı özel kabartmalı (rıbtılı) yapıya sahip olması gerektiği belirtilmiştir. Bu, üretimde cam panellerin çok hassas boyut toleranslarıyla şekillendirilmesini gerektirir; aksi halde camların tam temas etmesi gereken kaynak bölgelerinde boşluklar ya da hizalama sorunları oluşabilir. Çözüm: Bu zorluk, cam üreticileriyle işbirliği yapılarak yüksek hassasiyetli kalıplama tekniklerinin kullanılması ve modül çerçevesinin yapısal bir eleman olarak tasarıma entegre edilmesiyle aşılabilir. Nitekim NREL ekibi uygun montaj ve kabartmalı cam tasarımı ile lazer kaynaklı panelin standart yük testlerini geçtiğini göstermiştir. İleride daha ince veya hafif cam malzemeler kullanılarak panel ağırlığını artırmadan rijitliği sağlayacak akıllı tasarımlar (örneğin geometrik takviyeler, sandviç yapıdaki destek profilleri vb.) geliştirilebilir.
Bir diğer önemli mesele, elektrik bağlantıların ve devre dışı kalacak bileşenlerin hermetik yapıyı bozmadan tasarımıdır. Tamamen kapalı bir cam-cam yapı içerisinde fotovoltaik hücrelerin bağlantı noktalarını dışarı çıkarmak (busbar kablolarının dış bağlantı kutusuna ulaşması) için camda özel geçiş noktaları gereklidir. Bu cam-metal geçişlerin sızdırmaz ve dayanıklı olması kritik bir tasarım detaydır. Uygulamada, cam vakum pencerelerinde veya bazı elektronik bileşenlerde kullanılan hermetik besleme geçişleri (feedthrough) burada örnek alınabilir. Metal kontaklar, camın içinden geçirildiği noktada camla termal genleşme uyumlu bir lehim veya contayla mühürlenerek dış ortamla bağlantı sağlanabilir. NREL’in çalışmasında bu konu teorik olarak not edilmiş olsa da, PV modül ölçeğinde test edilmemiş bir alan olarak durmaktadır. Çözüm: Ar-Ge aşamasında, halihazırda laboratuvar elektroniği veya aydınlatma endüstrisinde kullanılan cam-metal sızdırmaz geçiş teknolojileri PV modüllere adapte edilebilir. Ayrıca, lazerle kaynatılan modüllerin bir başka yaklaşımı da bağlantı noktalarını panel çerçevesine entegre ederek camdaki delik ihtiyacını azaltmak olabilir.
Polimersiz modüllerin ağırlık ve taşıma konuları da dikkate değerdir. Çift cam kullanımı, geleneksel cam-arkaplan folyo tasarımlarına göre panel başına daha fazla ağırlık demektir. Bu durum taşıma ve montaj sırasında ek zorluklar yaratabilir. Ancak burada dengeleyici unsur, polimer laminasyonun olmamasıyla cam kalınlıklarının optimize edilebilmesidir. Örneğin Fraunhofer’in TPedge prototiplerinde standart 3-4 mm yerine 2 mm kalınlığında temperli cam kullanılarak toplam ağırlık %30 oranında azaltılabilmiştir.[10]Lazer kaynak tekniğinde de, kaynak dikişinin yeterince güçlü olması şartıyla, daha ince ve hafif camlar kullanma olanağı doğabilir. Çözüm: Malzeme mühendisliği tarafında, yeni nesil yüksek mukavemetli ince camların kullanımı ve panel tasarımında çerçevenin yük taşıyıcı rolünün artırılması ile polimersiz modüllerin ağırlık dezavantajı minimize edilebilir. Ayrıca, üretim esnasında hücrelerin camlar arasında sabitlenmesi için NREL dışında da çeşitli yaratıcı çözümler geliştirildiğini not etmek gerekir. Örneğin, bahsi geçen TPedge konseptinde hücreler cam levhalar arasında küçük noktasal yapıştırıcı pedlerle tutturulmuş ve laminasyonsuz, gaz dolgulu bir panel oluşturulmuştur. Bu sayede hem üretim süresi kısaltılmış hem de nem döngüsü testlerinde 4000 saatten fazla dayanım sağlanarak konseptin güvenilirliği ispatlanmıştır. Lazer kaynağı yöntemi de benzer şekilde hücrelerin konumunu korumak için üretim sırasında geçici vakum tutucular veya hassas yerleştirme çerçeveleri kullanabilir; kaynak tamamlandıktan sonra hücreler cam cepler içinde hapsedilmiş olacak ve ek bir yapıştırıcıya gerek kalmayacaktır.
Son olarak, maliyet ve ölçeklenebilirlik konusunda da temkinli iyimserlik gereklidir. Her ne kadar femto lazerle kaynak yöntemi kavramsal olarak mevcut laminasyon süreçlerine yakın bir hız ve maliyette görünse de, bunu endüstriyel ölçekte kanıtlamak için daha fazla çalışma yapılmalıdır. Lazer sistemlerinin yüksek hacimli üretimde güvenilir çalışması, çoklu panel işleme olanağı (paralel lazer başlıkları veya hızlı tarama sistemleri ile) ve enerji tüketimi gibi faktörler değerlendirilmeye muhtaçtır. Çözüm: Pilot üretim hatlarında gerçekleştirilecek deneme çalışmaları ile lazerle kaynak tekniğinin ölçeklenebilirliği ölçülmelidir. Bu süreçte, lazer üretici firmalar (NREL çalışmasında Trumpf firması iş birliği yapmıştır) ile güneş paneli imalatçıları ortak Ar-Ge projeleri yürüterek teknolojiyi optimize edebilir. Unutulmamalıdır ki güneş paneli endüstrisinde yeni bir üretim yönteminin benimsenmesi, sadece teknik üstünlüklere değil, uzun vadeli saha verilerine ve güvenilirlik göstergelerine de bağlıdır. Bu nedenle femtosaniye lazerle polimersiz modül konsepti, önümüzdeki birkaç yıl içinde artan prototip testleri, hızlandırılmış yaşlandırma verileri ve belki küçük ölçekli pilot güneş tarlası uygulamalarıyla olgunlaştırılacaktır.
Sonuç
Polimersiz cam-cam güneş panelleri, fotovoltaik teknolojide geri dönüşüm ve dayanıklılık ekseninde önemli bir paradigma değişimi potansiyeli taşımaktadır. Femtosaniye lazerle cam kaynağı yöntemi sayesinde, geleneksel panellerde zorunlu görülen polimer ara katmanlar ortadan kaldırılarak modüllerin hem çevresel açıdan daha sürdürülebilir hem de performans bakımından daha uzun ömürlü olması hedeflenmektedir. NREL’in öncülük ettiği araştırma, bu yaklaşımın temel fizibilitesini ortaya koymuş; elde edilen kaynaklı modül tasarımının tamamen polimersiz, hermetik sızdırmaz, geliştirilmiş ısıl özelliklere sahip ve kolaylıkla geri dönüştürülebilir bir yapı sunduğunu göstermiştir. Bu tür modüllerin 50 yıla varan kullanım ömrüyle elektrik üretiminde güvenilirliği artırabileceği ve panel değişim sıklığını azaltarak yatırım geri dönüşünü iyileştirebileceği vurgulanmaktadır. Özellikle büyük ölçekli güneş enerji santrallerine yatırım yapanlar için, daha uzun ömürlü ve geri dönüşüm maliyeti düşük paneller ekonomik avantaj anlamına gelecektir. Aynı şekilde, çevresel regülasyonların giderek sıkılaştığı bir dünyada, panellerin ömrü bitince sorunsuz bir şekilde geri kazanılabilir olması, güneş enerjisi projelerinin “tam anlamıyla yeşil” olduğuna dair kamuoyu algısını güçlendirecektir.
Elbette bu teknolojinin olgunlaşmasıyla birlikte endüstride bazı dönüşümler gerekecektir. Üretim hatlarının yeni lazer ekipmanlarıyla donatılması, tedarik zincirinde uygun özellikte cam malzemelerin sağlanması ve standartların güncellenmesi gibi adımlar zaman alabilir. Ancak benzer yenilikçi konseptlerin (örneğin TPedge) başarılı prototiplerden kitle üretimine geçiş yolculuğu, bu alanda kararlılıkla ilerlenirse engellerin aşılabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak, femto lazer kaynaklı polimersiz güneş panelleri, hem teknik hem de ekonomik açıdan vaat ettiği kazanımlarla dikkat çekmektedir. Bu yaklaşım, güneş enerjisi endüstrisinin önümüzdeki on yıllarda karşılaşacağı geri dönüşüm yükünü hafifletebilecek, performans standartlarını yükseltebilecek ve belki de “50 yıl dayanabilen solar modüller” çağını başlatabilecek bir anahtar teknoloji olarak görülmelidir. Güneş paneli tasarımında polimer devrinin sona ermesi, güneş enerjisinin gerçekten sürdürülebilir bir döngüye kavuşmasında kritik bir adım olacaktır.
Kaynaklar:
[1] to IEEE – Showing a sustainable path for solar panels by adaption of the other ‘melt down’
[2] News Release: NREL Proof of Concept Shows Path to Easier Recycling of Solar Modules | News | NREL
[3] Towards Polymer-Free, Femto-Second Laser-Welded Glass/Glass Solar Modules
[4] Towards Polymer-Free, Femto-Second Laser-Welded Glass/Glass Solar Modules
[5] (News Release: NREL Proof of Concept Shows Path to Easier Recycling of Solar Modules | News | NREL
[6] (Reliability of TPedge PV Modules Successfully Tested – Fraunhofer ISE).
[7] ( to IEEE – Showing a sustainable path for solar panels by adaption of the other ‘melt down’)
[8] (Towards Polymer-Free, Femto-Second Laser-Welded Glass/Glass Solar Modules (Conference) | OSTI.GOV)
[9] (News Release: NREL Proof of Concept Shows Path to Easier Recycling of Solar Modules | News | NREL).
[10] (Reliability of TPedge PV Modules Successfully Tested – Fraunhofer ISE
Murat Güven-Enerji-Üretim-Solar-Danışmanlık sitesinden daha fazla şey keşfedin
Subscribe to get the latest posts sent to your email.
