Teknoloji Projelerimiz Projelerimiz
Geri
Doç. Dr. Mustafa KULAKCI'dan TÜBİTAK ARDEB 1003 Projesi!

30.11.2018

Doç. Dr. Mustafa KULAKCI'dan TÜBİTAK ARDEB 1003 Projesi!

Fen Fakültesi Fizik Bölümü öğretim üyesi Doç. Dr. Mustafa KULAKCI hocamızın "Silisyum Alttaş Kullanarak Yüksek Verimli Esnek İnce Film GaAs Güneş Hücrelerinin Büyütülmesi, Fabrikasyonu ve Karakterizasyonu" isimli TÜBİTAK - ARDEB 1003 projesi kabul edilmiştir. Hocamızın yürütücü olduğu projede, Doç. Dr. Uğur SERİNCAN ve 3 bursiyer yer almaktadır. Ziyaretimizde hocamıza, projeye ilişkin başarısından ötürü Rektörlük Makamı adına teşekkür belgesi takdim edilirken, projeye ilişkin sorularımızı ilettik.   

TÜBİTAK - ARDEB 1003 projesi hakkında ve proje ekibinin süreçte yaşadıklarına ilişkin görüşmemizi bilgilerinize sunarız.


Projenizin hikâyesi nasıl başladı? Yazmaya nasıl karar verdiniz?

Projemiz aslında 1001 projesi olarak sunulmuştu. Çok büyük ihtimalle kabul edilir diye beklentimiz vardı; ancak kabul edilmedi. Proje konusu yeni nesil güneş hücreleriyle ilgili 1003 çağrısına içerik olarak tam oturduğundan proje metni üzerinde birkaç küçük değişiklik yaparak sunduk ve kabul edildi. Değişiklik özellikle özgün değer kısmının daha etkileyici şekilde çok daha ön plana çekilmesi şeklinde yapıldı. Sunulan ve kabul edilen proje galyum arsenik (GaAs) tabanlı esnek ince film güneş hücrelerinin GaAs alttaş yerine çok daha ucuz olan silisyum (Si) alttaşlar üzerine büyütülüp fabrikasyonunun yapılması üzerinedir. Grubumuzda son birkaç yılda dünyada üç-dört grubun çalışabildiği GaAs tabanlı güneş hücrelerinin üzerine büyütüldükleri GaAs alttaşlardan kaldırılıp esnek plastik taşıyıcılara nakledilmesi üzerine deneyim kazanmaya başlamıştık. Buna paralel olarak III-V grubu malzemelerin Si alttaşlar üzerine büyütülmesi üzerine de çalışmalar yürütüyorduk. Her iki alandaki deneyimimizi de bu proje kapsamında birleştirmeye karar verdik ve projenin hikayesi böyle başlamış oldu. Kendi açımdan hikayenin arkasındaki motivasyonlardan biri, kristal Si hücre teknolojisindeki ayrımı kendime model olarak seçmiş olmam. Si kristal hücre teknolojisi çoklu kristal (multi crystal) ve tek kristal (mono kristal) olarak temelde ikiye ayrılır. Çoklu kristal hücrenin maliyeti tek kristal olandan daha düşüktür. Aynı şekilde verimliliği de bir miktar daha azdır. Ancak pazar payı olarak düşük maliyetten dolayı çoklu kristal hücreler tek kristal hücrelere göre daha yüksektir. Bizim senaryomuzda ise GaAs alttaş üzerine büyütülüp kaldırılan GaAs hücre tek kristal Si alttaşa, Si alttaş üzerine büyütülecek GaAs hücre ise çoklu kristal Si hücreye karşılık olarak geldi. Tabii ki Si üzerinden üretilecek hücre GaAs alttaş üzerinden üretilecek olana kıyasla verim olarak bir miktar daha az olacaktı. Ancak üretim maliyeti kıyaslanamayacak kadar daha az olacak ve de üretim kapasitesi de oldukça gelişmiş Si alttaş teknolojisi üzerinden aynı şekilde arttırılmış olunacaktı. Yani bir diğer benzetmeyle, piyasaya yılda birkaç yüz Ferrari sürmektense, sıradan bir otomobil maliyetine binlerce BMW sürmek endüstri açısından daha önemli hale gelir diye düşündük. Bir diğer motivasyonumuzda bu işi ilk defa biz başlatmış olacaktık ve akademik açıdan ister istemez ilk olmanın fırsatını da sunmasını bekliyorduk.

Projenizin konusu nedir? Uygulama alanları nelerdir?

Projenin konusu GaAs tabanlı III-V grubu yüksek verimli güneş hücrelerinin üretimi üzerinedir. Bu tür hücreler çok yüksek verimli olmasına rağmen muazzam maliyetlerinden dolayı genelde hücre maliyetinden çok daha önemli olan watt/ağırlık oranını önceleyen uydu-uzay sistemlerinde güneşten elektrik enerjisi üretmek için kullanılmaktadır. Bu maliyeti azaltmanın bir yolu GaAs alttaş üzerine büyütülen aktif güneş pilini özel bir şekilde üzerine büyütüldüğü alttaştan aktif yapıya zarar vermeden alıp (epitaksiyel film kaldırma) yeni taşıyıcılara (plastik, metal folyo vs.) nakletmek şeklindedir. Bu yöntemle pahalı GaAs alttaş birkaç kez daha üzerine tekrar güneş hücresi büyütmek için kullanılabildiğinden hücre üretim maliyetini önemli ölçüde azaltmaktadır. İşlem sonunda esnek taşıyıcılara naklettiğiniz hücreler ise alttaş tabanlı olanlara göre çok daha ince esnek, daha verimli, çok daha hafif (metrekaresi 200 gr dan daha az), radyasyona daha dayanıklı olmaktadır. Bu proje ise GaAs yerine Si alttaşları özel yaklaşımla yapay bir GaAs alttaş haline getirip bu esnek hücreleri çok çok daha ucuza üretmeyi hedeflemektedir.

Uygulama alanlarına gelirsek; şu an henüz gelişmiş (gelişmekte olan) GaAs tabanlı esnek ince film hücreler diğer tüm hücre teknolojilerinin kullanıldığı askeri, uydu-uzay ve yeryüzü uygulamalarının tamamında kullanılabilir. Özellikle hafif, esnek ve alttaş tabanlı muadillerine göre daha verimli fonksiyonel olmaları bu tür hücreleri uydu sistemleri ve diğer uzay uygulamaları, insansız hava araçlarının (yüksek ve düşük irtifa) aerodinamik yapısını bozmadan seyrüsefer sürelerinin uzatılması ve askeri uygulamalar açısından oldukça cazip kılmaktadır. Ancak, üretim kapasitesi artırılıp hücre maliyetleri düşürüldüğünde özel sivil uygulamaların (her türlü hareketli sabit, portatif sistemler, tüketici elektroniği, yoğuşturmalı fotovoltaik, otomotiv vb.) pazarı oluşturulup sektördeki payı da artacaktır.

Projeniz alanınıza nasıl katkı sağlayacak? Projeniz topluma, üniversitelerde/sektörde/sivil toplum uygulamalarında yürüyen diğer çalışmalara; farklı disiplinlerin çalışmalarına; bilim dünyasına nasıl katkı sağlayacak?

Kabul edilen proje, şu an henüz gelişmiş (gelişmekte olan) GaAs tabanlı yüksek verimli esnek ince film hücrelerin üretim maliyetlerini pahalı GaAs alttaş yerine çok daha ucuz olan Si alttaş kullanarak üretmektir. Böylece GaAs tabanlı esnek verimli hücre teknolojisinin maliyetleri azaltılarak yaygınlaştırılmış olunacaktır. Şu anda 4 inç çap büyüklüğünde GaAs alttaş aynı büyüklükteki yüksek kaliteli (üzerine epitaksiyel büyütme yapılabilecek kalitede) Si alttaştan 15-20 kat daha pahalıdır. Bu oran çap büyüdükçe artmakta 8 inç çapa geldiğinde 1000-2000 kat civarına gelmektedir. Ayrıca 8 inç GaAs alttaş teknolojisi hala tam gelişememiş ve sorunludur. Si alttaş ise şu an 16 inç çap büyüklükte sorunsuz olarak üretilebilmektedir. Dolayısıyla bir yandan maliyet azaltılırken diğer yandan üretim miktarı da arttırılmış olacaktır. Si alttaş üzerine GaAs tabanlı katmanlar doğrudan üretilemediğinden aktif aygıt katmanları ile Si alttaş arasına kusur engelleyici (hapsedici) filtreleme katmanları geliştirerek Si alttaşları yüksek kalite III-V grubu malzeme büyütmeleri için yapay GaAs alttaşlara çevirmiş oluyorsunuz. Bu yapay alttaş sadece güneş hücresi teknolojisi için değil III-V grubu diğer elektronik ve optoelektronik uygulamalar içinde kullanılabilecektir. Dolayısıyla farklı alanlardaki çalışmalar için ortak bir payda da oluşmuş olacaktır.

Ekibinizde kimler var? Ekip kurulumunda neye dikkat ettiniz? Projeniz genç araştırmacılara kariyerlerinde yeni bir uygulama alanı açtı mı? 

Ekibimizde Eskişehir Teknik Üniversitesinden iki öğretim üyesi ve üç bursiyer vardır. Ekip kurulurken bursiyer olarak bir yüksek lisans, bir doktora ve bir doktora sonrası öğrenci kurgulandı. Oluşturduğumuz ekibin laboratuvar deneyimi olmasına özellikle dikkat ettik. Proje sunulurken bursları kimlere vereceğimizi belirlemiştik. Proje küçük ölçekli olarak sunulduğundan diğer üniversitelerden veya endüstriden herhangi bir katılım şu aşamada bulunmamaktadır.. Bursiyerler açısından bakıldığında yeni bir teknoloji geliştirmeye çalışmanın, yeni bakış açısı ve deneyimler kazanmanın doğrudan içinde yer almış olacaklar. Zaten çalışacakları konu doğası gereği onlara konvansiyonel alttaş tabanlı aygıt büyütme, fabrikasyon ve karakterizasyon yeteneklerini zaten kazandırmış olacak; üstüne çok daha ötesi olan esnek aygıt üretim ve karakterizasyon süreçlerini öğrenecek ve bu konuda ülkemizdeki ilkler olacaklardır. Kazanacakları deneyimle ister yurt içi ister yurt dışında çok kolay istihdam imkânı bulabileceklerdir.

Bu projeden sonra çalışmanızın devamı gelecek mi? Gelecekse farklı disiplinlerden araştırmacılara, sanayi ortağına, uluslararası çalışmalara vb yeni açılımlara ihtiyacınız olacak mı?

İlerleyen süreç ne gösterir bilemeyiz; ancak buradan elde edilecek kazanımlar bir sonraki hedef olan çoklu eklem GaAs tabanlı esnek ince film hücrelerin aynı yöntemle üretilmesi ve geliştirilmesi, uzun dönem planlarımız dahilindedir. Aslında bu zamana kadar yaptığımız ve bu projeyle yapılacak çalışmalar asıl hedefimizin temel taşlarını oluşturmaktadır. İlerleyen süreçte özellikle radyasyon ve yaşlandırma çalışmaları için iş birliğine ihtiyaç duyacağımız aşikardır. Bunun için yurt içi ve dışı ortak çalışmalara ihtiyaç duyulacaktır. Tabii ki sanayi ortaklığı da bu tür çalışmalarda nihai hedef olan pratik uygulamaya dönük üretim için en önemli faktördür; ancak bu tür sanayi ortak çalışmalar en az beş yıllık bir ön geliştirme zamanına ihtiyaç duyacaktır. Ayrıca ancak önümüzdeki on yıl içerisinde ortaklığa gidilecek sanayi altyapısının oluşacağını tahmin etmekteyiz. 

Projenizi yazarken, başvururken ya da kabul aşamasında genel olarak ARİNKOM TTO’dan hizmet aldınız mı? 

Projenin başvuru aşamasından sözleşmesi aşaması dahil ARİNKOM TTO’dan, özellikle belge işlemlerinde, yardım aldık. Ayrıca ihtiyaç duyduğumuzda da bir telefon kadar uzaktaydılar. Düzenli olarak her türlü yeni gelişmeleri e-posta ile sunmaları da bizim açımızdan bir diğer hizmettir. ARİNKOM TTO’nun katkılarının gelecek çalışmalarımıza çok daha fazla olacağını umuyoruz ve de tüm ARİNKOM TTO ekibine teşekkürlerimizi sunuyoruz.

Projenizi anlatan anahtar kelimeler nelerdir?

Güneş Hücresi, Moleküler Demet Epitaksi, GaAs Tabanlı Hücre Teknolojisi, Esnek Yüksek Verimli Hücreler, Hetero Epitaksiyel Büyütme