Boya Uyarımlı Güneş Pillerinin Üretimi Ve Üretim Parametrelerinin Optimizasyonu

dc.contributor.advisor Kılıç, Ali tr_TR
dc.contributor.author Şimşek, Ramazan tr_TR
dc.contributor.authorID 10087826 tr_TR
dc.contributor.department Nano Bilim ve Nano Mühendislik tr_TR
dc.contributor.department Nanoscience and Nanoengineering en_US
dc.date 2015 tr_TR
dc.date.accessioned 2018-01-29T12:50:55Z
dc.date.available 2018-01-29T12:50:55Z
dc.date.issued 2015-09-14 tr_TR
dc.description Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015 tr_TR
dc.description Thesis () -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015 en_US
dc.description.abstract Enerji gereksinimine duyulan ihtiyaç her geçen gün giderek artmaktadır. Bu ihtiyacın karşılanması için kullanılan kaynakların tüketimi neticesinde ortaya çıkan karbon salınımının çevreye zararlı olduğu bilinmektedir. Çevreye daha az yük getiren ve ekonomik açıdan daha uygun olan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ön plana çıkmıştır. Bu kaynakların kullanımı ülkemiz için de öncelikli alanlardan biridir. Temiz ve ucuz yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisinin kullanımı için hali hazırda kullanılan silikon bazlı güneş pillerinin üretim teknolojisi ve maliyeti dikkate alındığında insanoğlu daha rantabl çözümler arayışına girmiştir. Dünyanın toplam enerji ihtiyacı 2010 itibariyle 5x1020J seviyelerini yakaladığı tahmin edilmekte ve bu değerin önümüzdeki 20 yıl boyunca yıllık %2 artış göstereceği öne sürülmektedir. Uluslararası Enerji Ajansı’nın 2010 yılı verilerine göre günlük 85 milyon varil petrol, 3milyon ton kömür tüketilmektedir. Bu miktarda tüketim baz alındığında fosil kaynakların 40-60 yıl arasında ekonomik ömrünün kaldığı hesaplanmaktadır. Diğer yandan insan sağlığı, çevre ve iklim üzerinde her geçen gün bir başka zararı keşfedilen sera gazlarının fosil yakıt tüketiminden kaynaklanması yenilenebilir enerjiye yönelimi zorunlu kılmaktadır. Yenilenebilir enerji şirketler ve ülkeler için önemli bir sektör ve rekabet kalemidir ve yakın gelecekte öneminin daha da artacağı beklenmektedir. Ülkemiz açısından bakıldığında ise enerji faturasının toplamda 60 milyar doları bulduğu gözlenmektedir. Artan sınai üretim sebebiyle bu rakam her yıl yaklaşık %9 büyüme kaydetmektedir. 2023 itibariyle enerjinin %30’unun yenilenebilir kaynaklarından eldesi hedeflenmiştir. Bu açıdan güneş enerjisi oldukça kritik bir kaynak olarak karşımıza çıkmaktadır. Bunun yanı sıra fotovoltaik teknolojileri pazarı 1997’den beri yıllık %33 civarında büyümektedir ve en iyi senaryolara göre 2100 yılında enerji üretiminin yarısının güneş enerjisi teknolojilerinden karşılanacağı öngörülmektedir. Güneş enerjisi fosil yakıt darboğazındaki ülkemiz açısından ciddi bir alternatiftir. Çünkü Akdeniz havzasında bulunan ülkemizin özellikle güney bölgelerinde havanın yılın 300 günü güneşli, ortalama sıcaklığın 19°C civarında olması sebebiyle fotovoltaik enerji üretimi için büyük avantaja sahiptir. Güneş pilleri genellikle 3 kategoride (3 nesil) incelenmektedir. Birinci nesil güneş pilleri fosfor ve bor katkılı kristalin silisyum veya germanyum içeren bir p-n eklemi yapısındadır. Pazar payı daralsa da bu piller halen en yaygın olan pillerdir. Elektronik endüstrisinin yan ürünleri güneş pili olarak kullanılmaktadır. Kurulum ve üretim maliyeti yüksek saflıkta silisyum gerektirmesinden yüksektir. Ülkemiz her ne kadar birinci nesil silisyum teknolojilerinde geri kalsa da 2020 yılına kadar Si içeren ve Si içermeyen güneş pili teknolojilerinin aynı pazar yüzdesine sahip olacağı; 2030 yılında Si bazlı güneş pillerinin pazarın %20’nin altına ineceği öngörülmektedir. Bu sebepten Si içermeyen yüksek performans ve yüksek performans/maliyet oranlı ürünler üzerine çalışmalar yoğunlaşmalıdır. Bu beklentiler ışığında yerkürede toplam kaynağı çok az olan indiyum, galyum, telurid gibi bileşenleri olan güneş pillerinin yerine; daha kolay ve ekonomik yollarla ulaşılabilen ürünlere yoğunlaşılması önem arz etmektedir. İkinci nesil güneş pilleri denilen bu tip piller sandviç yapılı ince film morfolojisinde olup birinci nesle nispeten daha az aktif malzeme gerektirmektedir. Kadmiyum tellurid (CdTe), bakır indiyum galyum diselenid (CIGS) ve amorf silisyum (a-Si) tabanlı güneş pilleri yaygın olarak kullanılan ikinci nesil güneş pillerinden birkaçıdır. Kadmiyum tellürid esaslı ince film güneş pilleri watt başına maliyet açısından kristalin silisyum en yakın ikinci nesil güneş pilleridir. Ancak kadmiyumun çok zehirli olması ve tellür kaynaklarının azlığı bu pillerin üretiminde en büyük sorundur. Yine de 2013 verilerine göre ince film güneş pillerinin yarısından fazlasını oluşturmaktadır. Bakır indiyum galyum diselenid (CIGS) tabanlı güneş pilleri ikinci nesil ince film güneş pilleri arasında en yüksek verimliliğe sahip olanıdır [6], [7]. CIGS güneş pillerinin absorpsiyon katsayısı silisyum olanlara göre daha fazla olduğu için aynı kalınlıkta silisyuma güre daha fazla ışık emilimi yapar. Bu da daha ince ve daha hafif güneş pillerinin üretilmesine olanak sağlar. Yukarda bahsedilen birinci ve ikinci nesil güneş pillerinin dezavantajlarını göz önüne alarak üçüncü nesil eksitonik güneş pilleri geliştirilmiştir. Eksitonik güneş pilleri silisyum bazlı güneş pillerinin dezavantajlarının birçoğunu ortadan kaldırmıştır. Genel olarak üçüncü nesil güneş pilleri de kendi aralarında 3 farklı grupta değerlendirilmektedir: • Nanokristalin tabanlı güneş pilleri • Boya Uyarımlı Güneş Pilleri (BUGP) • Organik / Polimer tabanlı güneş pilleri Bahsedilen üçüncü nesil güneş pilleri içerisinde BUGP yeni ticarileşmeye başlamış, üretimi kolay ve hatırı sayılır enerji verimliliği sağlayan sınıfı temsil etmektedir. Bu anlamda BUGP’nin avantajları: • Açık laboratuvar koşullarında üretilebilmesi, temiz oda gerektirmeyişi • Bileşenlerinin birçoğunun ülkemiz kaynaklarından sağlanması • Bileşenlerinin işlenmesi üzerine laboratuvarlarımızın tecrübesi • Performans açısından mütevazi olsa da performans/maliyet oranında yüksek değerler göstermesi olarak özetlenebilir. Bu anlamda 5MW altı yatırımlara yönelik paneller, ev tipi, kapalı ortam pilleri, elektronik cihaz pilleri, cam üzerine işleme gibi alanlarda tercih edileceği öngörülmektedir. BUGP üzerine araştırmalar 1960 sonlarına gitse de önemli ilerleme Gratzel ve ekibinin geniş aralıkta emilim yapan boyarmaddelerin nanokristalin TiO2 kompleksinin senteziyle gerçekleştirilmiştir. Bu sayede ilk kez inorganik bazlı güneş pillerinin verimi basit bir mekanizma ve ucuz malzemeler kullanarak mümkün hale gelmiştir. Hava kütle katsayısı 1.5AM ışıması altında verimlilik %10 seviyeleri yakalanmıştır. Boya uyarılı güneş pillerinin (BUGP) çalışma mekanizması incelendiği takdirde üç temel fonksiyon icra edilmektedir. Bunlar boyar maddenin (BM’) fotouyarımı, metal oksite (MO) elektron transferi, redoks çiftinden aldığı elektronla BM’nin rejenerasyonu. Yarı iletken film tabakası elektrolit, boya ve çalışan elektrot ile temas halindedir. Güneşten gelen fotonların boya molekülüne çarpması neticesinde boya molekülünden bir elektron TiO2 ‘in iletkenlik bandına aktarılır. Elektron TiO2 üzerinden iletken elektrotlara sonrasında ise dış devreye taşınır. Karşı elektrotta elektrolitte meydana gelen indirgenme reaksiyonu ile elektron elektrolite taşınır. Son olarak yine uyarılan BM elektrolitten elektron transfer ederek sakin duruma geçer ve süreç tamamlanmış olur. Sistemde yer alan TiO2 elektron toplayıcı ve boyanın yüzey alanını artırıcı yönde görev yapar. TiO2 çalışan elektrot üzerine kaplanmakta ve TiO2 üzerine ise BM molekülü tutunmaktadır. BUGP’nin verimliliğini artırmak amacı ile TiO2‘nin spesifik yüzey alanı artırılması önemlidir. Bu sayede BM’ye yüksek düzeyde yüzey alanı sağlamakla görevlidir. Bunun yanı sıra metal oksit tabaka elde edilen serbest elektronları çalışan elektroda iletim görevini de üstlenmiştir. Yukarıda da açıklandığı üzere güneşten gelen ışınların uyarıcıya çarpması neticesinde, boyarmadde uyarılarak son yörüngesindeki elektronlar uyarıcının iletkenlik bandına aktarılır. Daha sonra ise uyarılan elektron uyarıcının iletkenlik bandından, metal oksit tabakanın iletkenlik bandına doğru hareket eder. Metal oksit tabakanın iletkenlik bandına aktarılan elektronlar burada metal oksit tabakanın sahip olduğu 3 boyutlu yapısı ile iletken elektrotlara aktarılarak bir dış devreye geçirilir. Elektronun tüm bu hareketi sırasında bir potansiyel enerjisi vardır ki bu enerji miktarı MO’nun Fermi enerji seviyesine eşittir. BUGP’nin yapısın incelendiği zaman yapı da yer alan sıvı elektrolitin sızma ya da buharlaşma gibi çeşitli nedenlerle BUGP yapısın terk etmesi BUGP için bir dezavantaj olarak değerlendirilmiştir. Bu durum aynı zamanda BUGP’nin ticarileşmesi yolunda en büyük problemlerden görülmüştür. Bu doğrultuda sıvı elektrolit yerine katı yük taşıyıcı bileşenlerin kullanımı ile katı hal boya uyarımlı güneş pilleri (khBUGP) geliştirilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında her bir bileşeninin baskı tekniği kullanılarak üretildiği khBUGP üretimi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda üretilen laboratuvar ölçekli khBUGP’nin endüstriyel boyutta da üretimi için yöntemler araştırılmıştır. Bu doğrultuda yapılan çalışmalar neticesinde khBUGP başarılı bir şekilde üretilmiştir. Üretilen khBUGP’ler hava kütle katsayısı 1.5AM ışıması altında karakterize edilmiştir. Gerçekleştirilen karakterizasyonlar ve neticesinde yapılan analizler gösterdi ki, serigraf baskı tekniği kullanılarak elde edilen khBUGP, bıçak sıyırma yöntemine kıyasla daha yüksek verimlilik değeri göstermiştir. khBUGP üretiminde kullanılan her iki biriktirme tekniğinin geniş alanda kaplamaya imkan sağlaması, khBUGP’nin endüstriyel boyutta üretimi için önemli bir parametredir. Netice olarak bu tez çalışması kapsamında khBUGP’nin endüstriyel boyutta üretimi için üretim parametrelerinin de optimize edildiği bir yöntem geliştirilmiştir. tr_TR
dc.description.abstract Basically, a solar cell is a kind of device that converts light energy into electrical energy through energization of electrons. They are broadly classified in three generations. First-generation solar cells are well-known, silicon-based photovoltaic cells that mainly dominates the solar cell market. This group contains monocrystalline and polycrystalline solar cells. While first generation solar cells have high efficiency, they have some disadvantages such as high manufacturing costs and requirement for well controlled production facilities. Against disadvantages of first generation solar cell, second generation solar cells were developed which are also considered as thin film solar cells. Thin film solar cells have cheaper manufacturing techniques. On the other hand they have lower efficiency than silicon-based solar cells have. Thin film solar cells include modified transition metals such as amorphous silicon (a-Si), Cd–Te, Ga–As and CIGS. It is important to note that, even though these two group of solar cells have some advantageous sides, the raw materials used in manufacturing process of solar cells have high cost or hazardous to environment and human health. Hence further studies on environmentally friendly, cheaper and high efficiency solar cells resulted with third generation solar cells. This group is also called as excitonic solar cells. The excitonic solar cells have different kinds of operation principals and they can also be grouped into nanocrystalline, dye-sensitized solar cells (DSCs) and organic/polymer solar cells. Of these, DSCs have commercial application but it is not in mature state yet. DSCs show great promise as an inexpensive alternative to conventional p–n junction solar cells. Highly efficient photovoltaic conversions, combined with ease of manufacturing and low production costs, make the DSC technology an attractive approach for large-scale solar energy conversion. These cells are expected to be the next generation of solar cells because of the lower loads to environment during manufacturing. Solidification of DSC was one of the crucial research items. While photovoltaic applications have been dominated by solid-state junction devices, usually made from crystalline or amorphous silicon and profiting from the experience and material availability resulting from the semiconductor industry, there is an increasing awareness of the possible advantages of devices based on mesoscopic inorganic or organic semiconductors commonly referred to as “bulk“ junctions because of their interconnected three-dimensional structure. DSCs are basically formed from nanocrystalline inorganic oxides, ionic liquids, and organic hole conductor or conducting polymer devices. Energy harvesting is accomplished by the optical absorption and charge separation processes after the association of a sensitizer as a light absorbing material with a wide-band-gap semiconductor of mesoporous or nanocrystalline morphology. They do not require energy-intensive high temperature and high-vacuum processes, and can be compatible with flexible substrates, and a variety of presentations and appearances which might facilitate market entry, both for domestic devices and in architectural or decorative applications. It is one of the expected results that the liquid electrolyte may inhibit the stability of DSCs, which led many studies for producing solid state DSCs. On the other hand in order to produce solid state Dye-Sensitized Solar cell (ssDSC) in commercial scale, it is clear that high temperature processing is another obstacle. Thereby, a few studies appeared on low temperature processed-ssDSCs so far. Especially, after coating of TiO2 paste sintering process is still followed to obtain mesoscopic porous structure. Commercialization step is looking for some intriguing properties such as flexibility, ease of integration, stability and cost effectiveness. Hence, manufacturing flexible ssDSCs can be realized by meeting the need of using flexible, transparent and conductive electrodes in ssDSCs’ structure. In that point, polymeric based transparent materials having durability against high temperature suggested as electrode. Polyethylene terephthalate (PET) and Polyethylene naphthalate (PEN) are current candidates for the electrode of commercial ssDSCs due to durability against temperature up to 150 oC. Thus, in this thesis study, manufacturing ssDSCs at low temperatures (less than 150 oC) was set forth as the main research question. Production of fully printable solid state dye sensitized solar cell (ssDSC) was aimed to produce with moderate efficiency. Besides that, a facile way was investigated producing ssDSC for industrial mass production. In this regard, doctor blade and screen printing technologies were compared to produce ssDSCs. Screen printing is a well-known application from local textile industry for coloration of textile goods, which is basically a kind of application of stenciling. Many experiments were ran with the stencils by defined shapes. Prepared ink was transferred through the holes onto conductive glass to be able to form mesoporous metal oxide layers. Sensitization of metal oxide layers was performed by photoactive perovskite structures. Methyl ammonium lead iodide was synthesized successfully via reaction of methyl amine, hydroiodic acid. Then, lead iodide was also obtained by reaction of lead nitrate and potassium iodide. As a counter electrode, carbon-based materials was deposited on Zirconia layer acting as a spacer layer. Subsequently, characterization and analysis of ssDSCs produced in this thesis study was performed by using AM1,5G solar simulator. Formation of monolithic ssDSC using screen printing technology was resulted in solar cells in lab scale showed higher efficiency compared to the one produced via doctor blading. Last of all, ssDSC structure and its components was manufactured successfully by using screen printing and doctor blade techniques enabling large area deposition. Hence, it can be considered as an important step to realize DSCs production in industrial scale. en_US
dc.description.degree Yüksek Lisans tr_TR
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11527/15180
dc.publisher Fen Bilimleri Enstitüsü tr_TR
dc.publisher Institute of Science And Technology en_US
dc.rights Kurumsal arşive yüklenen tüm eserler telif hakkı ile korunmaktadır. Bunlar, bu kaynak üzerinden herhangi bir amaçla görüntülenebilir, ancak yazılı izin alınmadan herhangi bir biçimde yeniden oluşturulması veya dağıtılması yasaklanmıştır. tr_TR
dc.rights All works uploaded to the institutional repository are protected by copyright. They may be viewed from this source for any purpose, but reproduction or distribution in any format is prohibited without written permission. en_US
dc.subject yenilenebilir enerji tr_TR
dc.subject perovkite tr_TR
dc.subject boya uyarımlı güneş pili tr_TR
dc.subject renewable energy en_US
dc.subject perovskite en_US
dc.subject dye-sensitized solar cell en_US
dc.title Boya Uyarımlı Güneş Pillerinin Üretimi Ve Üretim Parametrelerinin Optimizasyonu tr_TR
dc.title.alternative Production Of Dye Sensitized Solar Cell And Optimization Of Production Parameters en_US
dc.type Thesis en_US
dc.type Tez tr_TR
Dosyalar
Lisanslı seri
Şimdi gösteriliyor 1 - 1 / 1
thumbnail.default.placeholder
Ad:
license.txt
Boyut:
3.14 KB
Format:
Plain Text
Açıklama