Nanoməsaməli silisium günəş batareyaları

 

Ənənəvi enerji mənbələrindən (neft, qaz, kömür) istifadə ətraf mühit və insan həyatı üçün katastrofik nəticələrə (ətraf mühitin çirklənməsi, iqlimin isinməsi və s.) gətirib çıxara bilər. Avropa və Amerika ölkələri, Yaponiya, Çin və s. ölkələrin bir çox elmi mərkəzlərində alternativ və bərpa olunan enerji mənbələrinin (günəş, külək, buokütlə, hidrogen və s.)  istifadəsi sahəsində geniş araşdırmalar aparılır və onların nəticələri son illər tətbiq olunur. Birləşmiş Millətlər Təşkilatının məlumatına görə, 2011-ci ildə dünyada alternativ və bərpa olunan enerji mənbələri ilə əlaqədar layihələrə təxminən 240 milyard dollar sərmayə qoyulub. Bu marağın səbəbi, bir tərəfdən, ənənəvi karbohidrogen mənbələrinin gələcəkdə tükənəcəyi, digər tərəfdən isə ekologiya problemləri ilə əlaqədardır.

Alternativ və bərpa olunan enerji mənbələrinin sırasında fotovoltaik prinsipi ilə işləyən və günəş enerjisini birbaşa elektrik enerjisinə çevirən cihazların (günəş elementlərinin və batareyaların) xüsusi yeri var. Ətraf mühiti çirkləndirməyən günəş elementləri və batareyalarından həm kosmosda (kosmik gəmilərdə), həm də yerdə (evlərin və villaların müstəqil elektrik təmini, ucqar bölgələrdə yerləşən mobil rabitə retranslyatorlarının elektrik təmini, yolların işıqlandırılması, səhra və çöl ərazilərində əsgər həyatının və texnikanın enerji ilə təminində, neft və qaz borularının korroziyadan qorunmasında, böyük akkumlyatorların və mobil telefonların doldurulmasında və s.) geniş istifadə olunur. Nəzərə alsaq ki Azərbaycan günəşli sahədə yerləşir (bir ildə günəşli günlərin sayı təxminən 300-dür) günəş batareyalarının burada istifadə olunması çox aktualdır.

Fotovoltaik günəş elementi günəş enerjisini ("photo") birbaşa elektrik enerjisinə ("volta") çevirir. Xüsusi texnoloji üsulla hazırlanmış nazik yarımkeçirici plastina  günəş elementinin təməlidir. Sahəsi 1kv. sm olan günəş elementi təxminən 250 A/m2 cərəyan sıxlığı yaradır. Günəş elementlərini ardıcıl və ya paralel birləşdirərək yüksək gücə sahib fotoelektrik mənbələri (günəş batareyaları, günəş panelləri, günəş stansiyaları) hazırlamaq mümkündür. Bu gün fotoenergetika sənayesində istehsal edilən günəş elementlərinin təxminən 90%-i  silisium əsaslı elementlərdir. Proqnozlara görə, silisium gələcəkdə də günəş  elementlərinin əsas materialı olaraq qalacaqdır. Bunun səbəbləri, silisium günəş elementlərinin və batareyalarının uzun müddət (25-30 il) fasiləsiz və etibarlı işləməsi, ətraf mühiti çirkləndirməməsi və silisium texnologiyasında istifadə olunan xammalın (SiO2 kvartsın) bolluğudur (yerin tərkibində təxminən 25% kvarts mövcuddur).

Hesablamalar göstərir ki 1 kq silisiumdan hazırlanmış günəş batareyası 30 ildə təxminən 300 meqavat-saat  enerji istehsal edir, halbuki istilik elektrik stansiyası eyni miqdarda enerjinin istehsalı ücün 70 ton neft sərf edir.

Azərbaycan Respublikası Prezidentinin "2012-2020-ci illər üçün Azərbaycan Respublikasında alternativ və bərpa olunan enerji mənbələrindən istifadəyə dair Dövlət Strategiyasının hazırlanması haqqında" sərəncamına əsasən respublikamızda günəş batareyalarının istifadəsi gələcəkdə ölkənin enerji təhlükəsizliyinin prioritet istiqamətlərindən biri olmalıdır. Alternativ və bərpa olunan enerji mənbələrinin respublikada istifadəsinin sürətləndirilməsi məqsədi ilə Alternativ və Bərpa Olunan Enerji Mənbələri üzrə Dövlət Şirkəti yaradılıb və bu şirkətin tərkibində olan zavod silisium günəş panellərinin istehsalına başlayıb. Batareyaların tərkib hissəsi olan silisium günəş elementlərinin də respublikada istehsal edilməsi məqsədəuyğun olardı.

Silisium günəş elementləri və batareyaları ilə istehsal olunan elektrik enerjisinin maya dəyəri ənənəvi hidrokarbon yanacağı ilə əldə edilən elektrik enerjisinin dəyərindən təxminən 2-4 dəfə daha çoxdur. Batareyaların qiymətini aşağı salmaq yolları günəş elementinin effektivliyini artırmaq və texnologiyanı sadələşdirməklə əlaqədardır. Bu səbəbdən dünyanın aparıcı elmi-texniki  mərkəzlərində silisium günəş elementlərinin maya dəyərinin aşağı salınması və effektivliyinin artırılması  üzərində işləyirlər.

Fizika İnstitutunun "Günəş və hidrogen enerjisinin çeviriciləri" laboratoriyasında AMEA Rəyasət Heyətinın dəstəyi ilə yeni tip nanoməsaməli silisium günəş elementlərinin hazırlanma texnologiyası işlənmiş və fotovoltaik parametrlər araşdırılmışdır.

Silisiumun qadağan olunmuş energetika zonası dar olduğundan (təxminən 1.1 eV) silisium  elementi günəş spektrinin dar sahəsini (0.9-1.3 mikrometr dalğa uzunluğu intervalında) uda bilir. Bundan başqa, silisium səthinin əksolma əmsalı nisbətən böyük olduğundan günəş elementinin üstünə düşən işığın şiddətinin təxminən 30-35%-i ətrafa yayılır və günəş elementində elektrikin yaradılmasında iştirak etmir. Günəş elementlərinin standart hazırlanma texnologiyasında silisiumun əksolma əmsalını azaltmaq məqsədilə onun səthinə nazik ikiqat antiəksetdirici təbəqələr çökdürülür və nəticədə silisiumun əksolma əmsalı təxminən iki dəfə azalır. Ancaq əksetdirici təbəqələrin çökdürmə texnologiyası mürəkkəbdir və yüksək temperaturda aparılır, bu da günəş elementlərinin maya dəyərinin yüksək olmasına səbəb olur.

Son zamanlar fiziklərin, kimyaçıların və texnoloqların diqqətini nanoölçülü  (1 nanometr = 10-9 metrdir) bərk cisim materiallar, (yarımkeçiricilər, metallar, dielektriklər) cəlb edir. "Kvant-ölçülü" effektinə (nəzəriyyəsinə) görə, kristalın  ölçüsü hər hansı bir istiqamətdə 10-100 nanometrə qədər azaldıqda, onun səth sahəsinin rolu güclü dərəcədə artır, maddənin kristallik quruluşunda və elektrik, optik, mexanik, termik, möhkəmlilik və s. xassələrində kəskin dəyişikliklər meydana gəlir (atomlararası məsafə azalır, qadağan olunmuş energetik zona artır, möhkəmlilik və elektrik müqavimət artır və s.). Bunları nəzərə alaraq günəş elementinin effektivliyini artırmaq məqsədilə nanoməsaməli silisium təbəqəsini elementin səthində yaratmaq cox perspektivli üsul olmalıdır.

"Günəş və hidrogen enerjisinin çeviriciləri" laboratoriyasında günəş elementinin səthində nanoquruluşlu silisium nazik təbəqəsinin (qalınlığı təxminən 150 nanometr) otaq temperaturunda yaradılma texnologiyası işlənmişdir.

Nanoməsaməli silisiumun kristallik quruluşu arı pətəyinə bənzəyir. Məsaməli silisiumun hazırlanma texnologiyasının şərtlərindən asılı olaraq, kanallar (boşluqlar) arasındakı silisium sütunlarının divarlarının qalınlığı təxminən 20-150 nanometr olçü daxilində ola bilər. Günəş şuaları nanoməsaməli silisium səthinə düşəndə onların əksər hissəsi kanallarda  udulur və nəticədə silisiumun əksolma əmsalı kəskin azalır (3-4%). Məsaməli silisiumun sütunlarının 20-150 nanometr olduqda, "kvant-ölçülü effektinə" gorə, onun qadağan olunmuş energetik zonası 2.0-2.2 elektron volta gədər artır və nəticədə cihaz günəş spektrınin daha geniş sahəsini elektrik enerjisinə çevirir. Göstərilmişdir ki, silisium günəş elementinin səthində nanoquruluşlu məsaməli təbəqənin yaradılması (ənənəvi texnologiyadakı çoxtəbəqəli əksetdirici örtüyün yerinə), səthinin əksolma əmsalının kəskin azalmasına (3-4%-a qədər) fotohəssaslıq sahəsinin genişlənməsinə və nəticədə silisium günəş elementinin effektivliyinin 20% artmasına gətirib çıxarır.

Bu işin nəticələri 8-11 oktyabr 2012-ci ildə Azərbaycan Milli Elmlər Akademiyasının (AMEA) Fizika İnstitutunda keçirilmiş Elmlər Akademiyaları Beynəlxalq Assosiasiyasının yanında "Elektron texnikası üçün funksional materiallar" elmi şurasının illik iclasında təqdim olunmuşdur.

Sessiyada 5 postsovet respublikasının elmlər akademiyalarının və Türkiyənin nümayəndələri iştirak etmişlər. Sessiyanın açılışı AMEA-nın prezidenti, akademik Mahmud Kərimov və Beynəlxalq Assosiasiyanın elmi şurasının sədri, akademik Fedor Kuznetsovun rəhbərliyi ilə keçirilmişdir. Elmi şuranın əsas mövzusu günəş energetikasında və fotoelektronikada  istifadə olunan yarımkeçirici materiallarla əlaqədar olmuşdur. Akademik F.Kuznetsov "Günəş energetikası üçün kritik materiallar" mövzüsunda məruzə etmişdir. İclasda  Azərbaycan Milli Elmlər Akademiyası tərəfindən elmi şurada təmsil olunan  üzvlər "Nanoməsaməli silisium günəş elementləri" (AMEA-nın müxbir üzvü Təyyar Cəfərov), "A2B3C6 birləşmələrdə fotolüminessensiya"  (AMEA-nın müxbir üzvü Bahadur Tağıyev), "Gallium selenid - qeyri-xətti optoelektronikanın çox mühüm materialıdır" ( prof. Kərim Allahverdiyev) və "Nano- və mikrofazlı polimer kompozitlər əsasında yeni sinif aktiv dielektrik materiallar" (prof.  Mirzə Qurbanov) mövzularında məruzələrlə çıxış etmişlər. Bu məruzələrdə Fizika İnstitutunda və Azərbaycan Milli Aviasiya Akademiyasında aparılan işlərin nəticələri təqdim olunmuşdur. Tədbirdə ətraflı fikir mübadiləsi aparılmış və məruzələr elmi şuranın üzvləri tərəfindən müsbət qarşılanmışdır.

Elmi şuranın üzvləri Azərbaycanda günəş fotoenergetikasının inkişafı istiqamətində aparılan praktiki işlərlə də tanış olmuşlar. AMEA-nın prezidenti, akademik Mahmud Kərimov, Akademiyanın vise-prezidenti, akademik Arif Həşimov və Radiasya Problemləri İnstitutunun direktoru, AMEA-nın müxbir üzvü Adil Qəribovla birlikdə Alternativ və Bərpa Olunan Enerji Mənbələri üzrə Dövlət Şirkəti tərəfindən Qobustan şəhərində qurulan "Alternativ enerji mənbələri üzrə eksperimental poliqon və tədris mərkəzi" ilə tanış olmuşlar. Dövlət Şirkətinin rəhbəri Akim Bədəlov və onun müavini Cəmil Məlikov Mərkəzdə qurulan silisium günəş fotoenergetika stansiyası, külək turbinlərı və bioenerji qurğuları haqqında geniş məlumat veriblər. Akademik Fedor Kuznetsov Fizika İnstitutunda və ümumiyyətlə, Azərbaycanda günəş fotoenergetika və fotoelektronika istiqamətində aparılan elmi və praktiki işlərdən çox təsirləndiyini ifadə etmişdir. Bu  fikirlər və Fizika İnstitutunda keçirilmiş tədbirin yüksək səviyyədə təşkil olunması "Elektron texnikası üçün funksional materiallar" elmi şurasının yekun qərarında xüsusi qeyd edilmişdir.

Şuranın üzvləri Azərbaycan Texniki Universitetini də ziyarət etmişlər. Universitetin rektoru, professor Havar Məmmədov qonaqları universitetin elmi-tədris fəaliyyəti və bu sahələrdə əldə edilən nailiyyətlərlə tanış etmişdir. Sonra professor Aleksandr Nepomnyaşi (İrkutsk, Rusiya) "Günəş energetikası üçün multisilisium" mövzusunda Azərbaycan Texniki Universitetində tələbələr, doktorantlar və müəllimlər üçün mühazirə oxumuşdur.

 

Təyyar CƏFƏROV,

AMEA-nın müxbir üzvü,

Fizika İnstitutunun Günəş və hidrogen enerjisinin çeviriciləri laboratoriyasının rəhbəri

 

Elm.- 2012.- 30 noyabr.- S.7.