Perovskit güneş pilleri için karbon mürekkep tasarımı ve karakterizasyonu

Dünyada artan insan popülasyonuyla birlike enerji ihtiyacı da katlanarak artmaktadır. Ayrıca gelişen teknolojinin getirdiği enerjiye bağımlılık kullanılan geleneksel enerji kaynaklarının tükenmesine neden olmaktadır. Buna ek olarak geleneksel enerji kaynaklarının özellikle petrol bazlı kaynaklar Dünya üzerindeki karbon ayak izini arttırmakta ve çevreyi olumsuz yönde etkilemektedir. Bu nedenlerle araştırmacılar yeni, çevreye zarar vermeyen ve yenilenebilir enerji kaynaklarını araştırmaya başladılar. Güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, hidrolik enerji, jeotermal enerji, biyokütle enerjisi, hidrojen enerjisi, dalga enerjisi, gelgit enerjisi vb. gibi konularda birçok araştırma yapılmaktadır. Bunların arasında Güneş enerjisi özellikle ev sistemlerinde, taşıt sistemlerinde ve daha birçok alanda kullanılmaya başlanmış ve gün geçtikçe hem akademide hem de ticari alanda artan verimlilikle önemini arttırmaktadır. Güneş enerjisinden yararlanmak için kullanılan fotovoltaik piller (güneş pilleri) Güneş'den gelen ışınların bir yarı iletken yardımıyla elektrik enerjisine dönüşmesini sağlayan pillerdir. Bu sistemler uzay teknolojisinde uzay gemilerinde yada uydularda, evlerde su ısıtma yada ev elektrik enerjisinin karşılanmasında, yollarda aydınlatma sistemlerinde veya yol kenarındaki işaret lambalarında, arabalarda, teknelerde gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Üretilmeye başlandıktaki maliyetlerinin hızla düşmesi ve özellikle gelişmiş ülkelerde güneş enerjisinin kullanılması için verilen teşviklerle gün geçtikçe kullanımları artmaktadır. Almanya 2016 yıl sonunda 39.6 GW kurulu Güneş enejisi kapasitesi ile Dünya'da başı çekmektedir, onu daha sonra Çin, Japonya, İtalya ve Amerika Birleşik Devletleri izlemektedir. Türkiye'de ise kurulu Güneş enerjisi kapasitesi 2016 yılı sonu verilerinde 249 MW olarak kayda geçmiştir. Fotovoltaik pillerin gelişimi genel olarak üç gruba ayrılmaktadır. Ilk jenerasyon piller kristalin silikon piller olup, üretim aşaması zorlu ve maliyeti yüksektir. Ikinci jenerasyon piller amorf Si, polikristaline Si ve bakır indiyum galyum selenit Güneş pilleridir. Birinci jenerasyon pillerle karşılaştırıldığında verimliliği yüksek olmasına rağmen, tekrarlanabilirliği ve yüzey düzgünlülüğü açısından ticarileşmeye yeteri kadar uygun değillerdir. Bunun üzerine üçüncü jenerasyon piller geliştirilmiştir. Bu tür piller esnek yüzeylere uygulanabilirliği, düşük maliyet ve üretim yöntemlerinin kolaylığı açısından ticari olarak avantaj sağlamaktadırlar. Perovskit güneş pilleri de üçüncü jenerasyon güneş pillerinden olup, araştırılmaya başlandığı günden itibaren kısa bir sürede 22% verimliliğe ulaşmıştır. Perovskit yapısında iki tip katyon ve bir tip anyon bulundurmaktadır. Yapıdaki katyon veya anyonun değiştirilmesiyle optik ve elektriksel özellikleri değişmektedir. Kontrol edilebilen enerji bant aralığı, geliştirilebilen verimliliği ve üretim kolaylığı açısından Güneş pillerinde tercih edilmektedir. Perovskit güneş pilleri boşluk taşıma katmanı bulunduran ve bulundurmayan olarak ikiye ayrılmaktadır. Boşluk taşıma katmanı bulunduran pillerde bu katman genel olarak Spiro-Ometad yapısından yapılmaktadır. Spiro-Ometad'ın yüksek maliyetli olması nedeniyle araştırmacılar bu katmansız piller üretmeye başlamışlardır. Boşluk taşıma katmanı olmayan perovskitli güneş pillerinde başlıca altın veya karbon olarak iki tip elektrot kullanılmaktadır. Altının doğada nadir bulunması ve pahalı olması nedeniyle ve karbonun doğada bol bulunması, çevre dostu olması ve yüksek elektrik iletkenliği nedeniyle araştırmalar karbon elektrot üzerine yoğunlaşmıştır. Karbon elektrot için oluşturulan katman karbonun direk ygulanması veya bir mürekkep yada pasta olarak güneş pilline uygulanmasıyla elde edilir. Karbon mürekkep genel olarak karbon malzeme, bağlayıcı malzeme ve çözücü ortamı içermektedir. Elektrik iletkenliği karbon malzeme tarafından sağlanırken, stabilitesi bağlayıcı malzeme tarafından sağlanmaktadır. Içerdiği karbon malzeme karbon siyahı, grafit, karbon nanotüp gibi farklı karbon kaynakları olabilir. Çözüldüğü malzeme açısından ise su bazlı veya organik çözücü olmak üzere ikiye ayrılabilir. Karbon mürekkep sıklıkla yüksek iletkenliğin istenildiği alanlarda kullanılmaktadır ve düşük maliyeti açısından tercih edilmektedir. Sensör, güneş pilleri, biyoelektronikler, tekstil, süperkapasitörler, doku mühendisliği gibi uygulama alanları bulunmaktadır. Bu tez kapsamında, üç ayrı başlıkta oluşturulan karbon mürekkep özellikleri incelenmiştir. İlk tip karbon mürekkep oda sıcaklığında FTO yüzeye uygulanarak elektrik iletkenliği ve morfolojik özellikleri incelenmiştir. Ayrıca perovskit güneş pillerinde verimliliği ve uygulanabilirliği araştırılmıştır. İkinci tip karbon mürekkep, iki farklı kahve atığının farklı oranlarda aktive edici malzemeyle karbonize edilmesi sonucu elde edilen karbondan oluşturulmuştur. Elde edilen karbonların parçacık büyüklükleri mürekkepte kullanılmak için büyük olduğu saptanmıştır. Bunun üzerine karbonlar bilyalı öğütücüde öğütülerek hem parçacık boyutları küçültülmş hem de daha homojen bir dağılım oluşturulmuştur. Daha sonra SEM, DFT, BET ve Raman analizleri ile morfolojik ve fiziksel özellikleri hakkında analizler yapılmıştır. Yapılan analizler sonunda öğütülen karbonlardan, karbon mürekkepler yapılmıştır ve mürekkeplerin elektrik iletkenlik ve morfolojik değerleri incelenmiştir. En düşük direnç değerini veren mürekkep ile perovskit güneş pili denemesi yapılmıştır. Üçüncü tip karbon mürekkep de ise polimer malzeme katkılanmıştır. Yapılan literatür çalışması sonunda PVDF polimerinin perovskit güneş pillerinde kulanılmadığı ve bunun nedeninin ise PVDF'in çözücü ortamı olarak DMF'in tercih edilmesidir. DMF ise perovskit malzemeye uygulandığında, perovskit yapısını çözerek güneş piline zarar vermektedir. Fakat bu tez kapsamında çözücü ortamı olarak DMF kullanılmayıp, perovskit malzemeyi deforme etmeyen etil asetat kullanılmıştır. Polimer malzemenin katkılanarak elektriksel özelliklerinin geliştirilmesi için ise gümüş nanopartikül ve gümüş nitrat olmak üzere iki farklı katkı maddesiyle çalışılmıştır. Sadece PVDF film, gümüşle katkılanan PVDF film ve gümüş ntratla katkılanan PVDF filmin FTIR sonuçları alınarak kristallite özellikleri araştırılmıştır. Gümüş naopartikül ve gümüş nitrat malzemenin PVDF'in kristalin özelliklerini geliştirdiği görülmüş ve değişik miktarlarda katkılama yapılarak optimum oran bulunulmaya çalışılmıştır. Farklı oranlarda katkılanan polimerle karbon mürekkepler yapılarak, deneyler sonucu elde edilen mürekkeplerin elektrik iletkenlik ve morfolojik özellikleri araştırılmıştır. Düşük direnç değeri veren mürekkepler düşük sıcaklıkta perovskit güneş piline uygulanarak, çalışılabilirliği araştırılmıştır.