FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik
Bu topluluk için Kalıcı Uri
Nano Bilim ve Nano Mühendislik Ana Bilim Dalı altında bir lisansüstü programı olup, yüksek lisans ve doktora düzeyinde eğitim vermektedir.
Gözat
Yazar "Develioğlu, Ayşegül" ile FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeNano-si Kolon Yapılarının Güneş Pili Uygulamaları İçin Tasarlanıp, Üretilip, Karakterize Edilmesi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016-02-02) Develioğlu, Ayşegül ; Trabzon, Levent ; 10100458 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and NanoengineeringEnerji ihtiyacı 19. yüzyılda sanayileşme ile birlikte artmaya başlamış ve günümüzde küresel bir sorun halini almıştır. Bunun başlıca nedenleri ise Dünya nüfsunun son 40 yıl içersinde iki katına çıkması ve giderek artan yaşam standartlarıdır. Gelişmiş ve sanayileşmiş ülkelerde elektrik enerjisi üretimi, iletimi ve dağıtımı stratejik yönetim olarak kabul edilmektedir. Fakat son yıllarda yaşanan Chernobyl, Fukushima gibi nükleer felaketler, karbon salınımı ve sera gazlarının neden olduğu küresel ısınma bir çok ülkeyi elektrik enerjisi üretiminde yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Bu ülkelerin başında 2030 yılında enerji üretiminin %50sini yenilenebilir enerji kaynaklarından elde etmeyi planlayan Almanya gelmektedir. Almanya’nın ardından temiz enerjiye büyük oranda yatırım yapan diğer ülkeler arasında İtalya, 2011 yılında yaşadığı tsunami ve nükleer felaketten sonra enerji politikalarını büyük ölçüde değiştiren Japonya, ABD ve Çin başı çekmektedir. Güneş enerjisinin sonsuz bir enerji kaynağı olması, güneş pili üretiminde kullanılan silisyumun doğada bol bulunan ve temiz bir element olması, sadece %10 verimlilikle Sahra çölünde 700km2 lik alana düşen güneş enerjisinin dünyanın ihtiyaçlarını karşılamaya yetecek olması ve nanoteknolojik malzeme ve yeni üretim teknolojileriyle verimliliğin arttırılıp fiyatların düşmesi hem akademik alanda hem sanayide bu alana milyar dolarlık yatırımlar yapılmasını sağlamıştır. Güneş hücreleri genel olarak p ve n tip olmak üzere iki tip yarı iletkenin birleşmesinden oluşur. İki tür yarı iletkenin yüzeyleri bir araya geldiği zaman n tip yarı iletkende çoğunuk taşıyıcılar olan elektronlar arkasında bir “boşluk” bırakarak p tip yarı iletkene geçer ve burdaki pozitif değerlikteki “boşluk”larla birleşir. Aynı şekilde p tip yarı iletkendeki çoğunluk taşıyıcı olan pozitif yüklü “boşluk”lar da n tip yarıiletken tarafına geçerek burdaki negatif yülü elektronlarla birleşir ve deplesyon bölgesi denilen yüksüz bölgeyi oluştururlar. Bu durum iki yarıiltken bi araya geldiğinde kendiliğinden oluşan durumdur. Bu sistem bir ışığa yani foton uyarımına maruz kaldığında n tip yarı iletkendeki azınlık taşıyıcılar (boşluklar), p tip yarı iletkendeki azınlık taşıyıcılar (elektronlar) deplesyon bölgesinden karşı tarafa geçerek akım oluştururlar. Ilk jenerasyon güneş pilleri temel olarak iki tip yarı iletkenin birleşiminden oluşmaktadır. İkinci jenerasyon piller Cadmium Telluride (CdTe), Copper Indium Gallium Selenide (CIGS), Copper Zink Tin Sulfide (CZTS) gibi katkılı malzemelerden oluşan ince filmleri (1 mikrondan daha ince katmanlar) içerir. Fakat bu malzemeler doğada kısıtlı sayıdadırlar. Üçüncü jenerasyon piller quantum dot temelli güneş pilleridir. Quantum dotlar boyutları değiştirilerek band aralığı değiştirebilen yarı ilekten parçacıklardır ve bu özellikleri de onları güneş pillerinde absorbe edilen radyasyon aralığını genşletme açısından ideal kılar. Son olarak dördüncü jenerasyon piller hibrid inorganik kristaller ve organik yarı iletken polimer yapının birleşiminden oluşan güneş pilleridir. Bu tezde güneş pili uygulamları için inorganik kristal olarak amorf yapıda n tip yarı iletken silisyum kullanılmış farklı geometrilerde üretilerek güneş pili verimliliğini etkileyen parametreleri incelenmiştir. Silisyum ince filmler fiziksel buhar depolama yöntemiyle düz filmler halinde ve açılı depolama yöntemi ile spiral, yatay, dik kolonsal olarak çeşitli geometrik yapılarda üretilmiş düz yüzeyle optik ve yapısal olarak karşılaştırmaları yapılmıştır. Organik yarı iletken olarak PEDOT:PSS seçilmiş ve güneş pili uygulamarı için geçirgenlik ölçümleri yapılmıştır. Güneş pillerinde verimliliği arttırmanın en önemli faktörü p ve n tip yarı iletkenlerin arayüzey alanını arttırmaktır. Başka bir deyişle p ve n tip yarı iletkenler birbirlerine ne kadar çok temas ederlerde elektron ve “hole” üretimi o kadar fazla olur. Belirli bir kalınlıktan sonra malzemeler yük taşıyıcılar için bariyer oluşturacağından malzemeyi kalınlaştırmak yaklaşık 1 mikrondan sonra verimliliği arttırmayacak tam tersine düşürecektir. Silisyum için optimum aralık 300-800nm arasındadır. Bu nedenle önemli olan farklı tasarım ve geometrilerle p-n ekleminin arayüzeyini arttırmaktır. Güneş pili verimliliğinde ikinci önemli faktör ışığı emici malzemenin yansımasını düşürerek daha fazla foton absorbe etmesini sağlamak böylece daha fazla elektron ve “hole” üretimi elde etmek. Işık emici yüzey ne kadar ışık tutarsa sistemin verimliliği o kadar fazla olacaktır. Dördüncü jenerasyon güneş pillerinde başka bir önemli faktör yüzeyin su severliğidir. Silisyum normal şartlarda hidrofobik bir karaktere sahip olduğundan farklı geometrilerle ve yüzey porozitesiyle hidrofilikliği arttırılırsa organik polimer yüzeyde daha iyi bir şekilde yayılacak ve daha düzgün bir p-n eklemi oluşacaktır. Son olarak güneş pili için dikkat edilebilecek önemli bir husus elektrod için kullanılacak malzemelerin seçimidir. Kontakt olarak kullanılacak iletken malzemelerin güneş pilinde kullanılan yarı iletkenlerle Schottky bariyeri oluşturmadığına dikkat edilmelidir. Elektrodlar ile yarı iletken malzemeler arasındaki bağlantı kayıp olmaması açısından Ohmic olmalıdır. Silisyum ve polimer yarıiletkenler için en iyi elektrod malzemeleri Al, Ag ve Indium Tin Oxide (ITO)’dır. Bu çalışmada yaklaşık 450nm silisyum düz yüzey, 80o açı ile tutularak eğik kolonsal yapılar ve 80o ile 25rpm hızla döndürülerek dikey kolonsal yapılar fiziksel buhar depolama yöntemi ile yaklaşık 10-7 Pascal basınç altında 1 Å/s depolama hızıyla elde edilmiştir. Örneklerin kesit ve üsy yüzeylerinin elektron mikrsokopu görüntüleri alınmış kolonsal yapıların üst yüzeylerinin düz filmden çok daha poruslu olduğu görülmüştür. UV-VIS spektroskopisinde yapılan ölçümlerle kolonsal yüzeylerin yansımasının düz yüzeyden çok daha az olduğu tesbit edilmiştir ki bu da güneş pili verimliliğinde ışık emici yüzey için verimliliği arttıracak önemli bir faktördür. Düz yüzetin yansıması 0.8-0.9 civarında iken kolonsal yüzeylerin yansımaları 0.5 ve 0.3 aralığındadır ki düşen yansıma değeri foton absorbansını arttırmaktadır. Örneklerin su ile temas açısı ölçümleri yapılmış silisyum düz yüzeyin temas açısı ortalama 95o iken kolonsal yapıların temas açılarının ortalama 60o olduğu görülmüştür. Poruslu yüzey yapısı silisyumun hidrofobikliğini azaltmıştır. Bu da hibrid güneş pilleri için önemli olan polimer yüzeyin silisyumla daha iyi bir p-n eklemi oluşturmasını sağlamaktadır. Örneklerin XRD ölçümleri yapılmış fakat amorf yapılar kullanıldığından dolayı pik gözlemlenmemiştir. Çalışmada organik polimer olarak kullanılan PEDOT:PSS spinner ile yüzeye kaplanmıştır. Parçacıklı yapısı nedeniyle 45mikronluk süzgeçten geçirilmiş yüzeye damlatılıp 1dk beklendikten sonra 2000rpm hızda iki kere döndürülerek yüzeye kaplanmıştır. Alınan kesit SEM görüntülerinde görülmüştür ki PEDOT:PSS kolonsal yüzeylerde hem yüzeyin su severliği nedeniyle daha iyi yayılmış hem de poruslu yapısı nedeniyle daha geniş bir p-n eklemi oluşturmuştur. Düz yüzeylerde ise yüzeyin hidrofobikliği nedeniyle homojen bir dağılım ve geniş bir kesit alanı gözlenememiştir. Kesit alanının genişliği ve yüzey hidrofilikliği güneş pili verimliliğini etkileyen en önemli faktörlerdendir. Son olarak UV-VIS spektroskopisi ile PEDOT:PSS’in geçirgenliği incelenmiş ve geçirgenlik oldukça yüksek çıkmıştır. Bu da güneş ışınlarının polimerden geçerek silisyum absorbera ulaştığını göstermektedir. Literatürde gerek fiziksel buhar depolama yöntemi ile gerek kimyasal depolama ve aşındırma yöntemleri ile elde edilen kolonsal yapıların düşük yansıması nedeniyle opto-elektronik cihazlarda verimliliği arttırıdğı hem silisyum hem diğer malzemler için görülmekte ayrıca bu tür yapılar elektro-kimyasal olarak sentezlenmiş güneş pillerinde verimliliği arttırmak amacıyla “anti-reflection coating” olarak kullanıldığı görülmüştür. Bu tür yapılar aynı zamanda açık devre voltajı, kısa devre akımı, “fill factor” gibi fotovoltaik özelliklerin gelişmesine de yardımcı olmuştur. Bu tip cihazların verimliliğini arttırmak için yapılabilecek diğer yöntemlerin başında amorf malzeme kullanmakar yerine “dangling bond”lardan kaynaklanan kayıpları önlemek amacıyla kristal malzeme kullanmak gelmektedir. Ayrıca oksitleme gibi yüzey iyileştirme yöntemleri de kullanılabilir. Kimyasal buhar depolama ve aşındırma yöntemiyle yüzey alanını ve poruslu yapıyı arttırmak amacıyla çeşitli tasarım ve geometride malzemler üretilebilir. Karbon nanotüp ve quantum dotlar kullanılarak emici yüzeylerin absorbansı arttırılabilir. “bottom-up” yöntemler için yüzeyi soğutmak kolonsal yapıların yüzeyde daha düzgün dağılmasını sağlayacağından daha homejen bir yapı elde edilebilir. Ayrıca çeşitli kimyasallarla (dimethyl sulfoxide, methoxyethanol) PEDOT:PSS yarı iletken polimerin “hole” konsantrasyonu arttırılabilir.