Boya duyarlı güneş pilleri için boya ve elektrolit geliştirilmesi

Fosil yakıtların tükenmesi ve yol açtığı çevresel sonuçlar, yenilenebilir enerji kaynaklarının önemini arttırmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında güneş enerjisi, neredeyse sınırsız olmasından dolayı diğerlerinden ön plana çıkmaktadır. Güneş enerjisini, güneşten gelen fotonları fotovoltaik etkiyle elektrik enerjisine dönüştüren cihazlara güneş pilleri denmektedir. Kullanılan malzemelere veya teknolojilere göre farklı güneş pili türleri bulunmaktadır. Bunlardan biri olan boya duyarlı güneş pilleri, güneşten gelen fotonları yakalamak için boya kullanan bir güneş pili türüdür. Boya duyarlı güneş pilleri (BDGP), fotoanot, boya, elektrolit ve karşıt elektrottan meydana gelmektedir. Genellikle fotoanot malzemesi olarak FTO (flor katkılı kalay oksit) substrat üzerine kaplanmış TiO2 ve karşıt elektrolit olarak FTO üzerine kaplanmış Pt kullanılmaktadır. Bu malzemelere alternatif malzemeler üretilmeye çalışılmışsa da FTO kaplı TiO2 ve Pt, pillerin daha kararlı ve yüksek verimle çalışmalarını sağlamaktadır. Boya olarak uzun süre bir rutenyum kompleksi olan N719 kullanılmış, fakat rutenyumun hem nadir bir metal olmasından hem de çevreye zarar verme durumundan dolayı farklı boya alternatifleri üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Boya duyarlı güneş pillerinde kullanılan boyalar genellikle üç sınıf altında incelenmektedir: metal kompleks boyalar, metal içermeyen organik boyalar ve doğal boyalar. Metal kompleks boyalar (genellikle rutenyum kompleksleri) yüksek verim özelliğine sahip olmalarına rağmen, düşük molar absorpsiyon katsayısına sahiptirler. Metal içermeyen organik boyalar, orta seviyede verim özelliklerine sahiptir ve yüksek molar absorpsiyon katsayısına sahiptirler. Doğal boyalar, doğadan elde edilebildikleri için düşük maliyetlere sahiptirler fakat verimleri diğer boyalara göre çok düşüktür. Dünya yüzeyine ulaşan güneş spektrumunun en şiddetli olduğu bölgeler ~ 250 nm-1200 nm arasındadır. Dolayısıyla BDGP'ler için boya seçilirken, boyanın bu bölge arasında soğurabildiği kadar ışık soğurması beklenmektedir. Bu amaçla, boya duyarlı güneş pillerinde uygulanan bir yaklaşım birlikte duyarlaştırmadır. Birlikte duyarlaştırma, farklı bölgelerde soğurma yapan iki veya daha fazla boyanın birlikte kullanılarak daha geniş bir bölgede ışık absorpsiyonu yapmak için kullanılmaktadır. Daha geniş bir bölgede ışık absorpsiyonu daha fazla foton yakalanmasını sağlamakta ve BDGP'lerin verimlerinin artmasını sağlamaktadır. BDGP'lerde, elektrolit olarak genellikle organik bir çözücü içerisinde çözünmüş redoks çiftleri kullanılmaktadır. Bu pillerde en yaygın kullanılan elektrolit, asetonitril içerisinde redoks çifti olarak I-/I3- bulunan sıvı elektrolittir. Elektrolitlerin genellikle asetonitril gibi organik çözücüler içerisinde hazırlanmalarından dolayı bu elektrolitler sızma veya buharlaşma gibi problemler oluşturmaktadır. Bu problemler pillerin kararlı bir şekilde çalışmasını engellemektedir ve zaman içerisinde verimin azalmasına neden olmaktadırlar. Bu problemlerin önüne geçmek için, mühürleme malzemeleri kullanılarak, fotoanot ve karşıt elektrot olarak görev yapan FTO substratların arasındaki boşluk kapatılmaktadır. Fakat bu durum hem ek malzeme kullanımını gerektirmekte hem de ekstra enerji harcanmasına yol açmaktadır. Sıvı elektrolitlerin sorunlarını ortadan kaldırmak için diğer bir çözüm ise yarı-katı veya katı elektrolit kullanmaktır. Özellikle yarı-katı elektrolitler, hem sıvı özellik gösterek fotoanot-karşıt elektrot arasında iyi bir arayüzey etkisi sağmakta hem de katı özellik göstererek buharlaşma, sızma vb. gibi problemleri ortadan kaldırmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında 4-ter-bütilsülfonil ve karboksilik asit içeren Zn ve TiO naftoftalosiyaninler sentezlenmiş ve boya olarak BDGP'lerde kullanılmıştır. Bununla birlikte bu boyalarla bir porfirin olan YD2, farklı oranlarda birlikte duyarlaştırma kullanılarak BDGP'lerde kullanılmıştır. Tek kullanıldıklarında Zn naftoftalosiyanin kullanılarak hazırlanan BGDP %5,59 ve TiO naftoftalosiyanin kullanılarak hazırlanan BDGP %6,23 verim vermiştir. YD2 ile birlikte duyarlaştırma yapıldığında, YD2-ZnNSPPc karışımı (3:1) %11,64 gibi yüksek bir verim elde edilmiştir. Gerçekleştirilen bir diğer boya çalışmasında, Fe3+, Co3+ ve Zn2+ iyonlarının gallik asit ve izotiyosiyanat kompleksleri teorik olarak incelenmiş ve BDGP'ler için boyalarda aranan bazı özellikleri kıyaslanmıştır. Elde edilen bulgularda Fe3+ ve Co3+ komplekslerinin BGDP'ler için daha uygun olduğu teorik olarak bulunmuştur. Boya çalışmaları kapsamında bir diğer çalışmada, difenilkarbazon (DPC) ve tartarazin metal kompleks boyaları (Co3+ ve Zn2+ ile) sentezlenmiş ve BDGP'lerde kullanılmıştır. En yüksek verim Zn-DPC kompleksi kullanıldığında %1,91 olarak bulunmuştur. Tez çalışması kapsamında ayrıca farklı malzemelerle yarı-katı elektrolitler geliştirilmiş ve BDGP'lerinde kullanılmışlardır. Bunlar içerisinden gellan zamkı esaslı, LiCl ve poli(3-hekziltiyofen) (P3HT) içeren jel, hem donmaya karşı direnç göstermiş, hem de kendiliğinden yapışkan özellik göstermiştir. Elektrolit çalışmaları altında gerçekleştirilen bir diğer çalışmada, PEDOT:PSS katkılı gellan zamkı esaslı jel elektrolit hazırlanmış ve BDGP'lerde uygulanmıştır. Hazırlanan BDGP'de %2,01 verim gözlenmiştir. Bununla birlikte jel elektrolitlerin kalınlığının BDGP'ler üzerindeki etkisi de incelenmiş ve daha kalın jel elektrolitin verimi düşürdüğü gözlenmiştir.