Akridin esaslı boyaların ortak duyarlaştırıldığı güneş hücrelerinin fotovoltaik özelliklerinin incelenmesi

Enerji; ekonomik kalkınma, ilerleme ve modernleşme için itici güçtür. Enerji talebi ve kullanımı küresel olarak artmakta olup, araştırmacılar gelecekteki enerji ihtiyacını karşılama konusunda son derece büyük bir çaba sarfetmektedir. Dünyadaki enerji tüketiminin %80'i doğal gaz, fosil yakıtlar ve kömürden elde edilmektedir. Ancak doğal kaynakların tükenmesine yol açmanın yanı sıra aynı zamanda CO2 emisyonunun ve küresel ısınmanın başlıca nedeni olması, yenilenebilir olmama, ekolojik kirlilik gibi önemli sınırlamalar sebebiyle fosil yakıttan doğrudan enerji elde etmek en uygun ve sürdürülebilir yol değildir ve bu sebeple fosil yakıtların yenilenebilir enerji kaynaklarıyla değiştirilmesi gerekmektedir. Yenilenebilir enerji teknolojileri, bu kaynakları kullanarak ve dönüştürerek güç, mekanik enerji veya ısı enerjisi üretir ve bunları elektromotor kuvvetine veya elektriğe dönüştürür. Yenilenebilir enerjinin kullanımı, zararlı hava kirleticilerinin salınımının azaltılması ve sera gazlarının emisyonunun azaltılması gibi çevreye sürdürülebilirlik sağlayan çeşitli avantajlar sunar. Çevre dostu olması, kolay kullanılabilirliği, tükenmemesi, yenilenebilir olması, CO2 emisyonu üretmemesi, doğal bir kaynak olması, çeşitli uygulamalara uygunluğu ve atık ürünler oluşturmaması gibi avantajlarından dolayı güneş enerjisi diğer yenilenebilir enerjilerden üstündür. Bu nedenle, fotovoltaik (FV) hücreler doğrudan güneş ışığını elektriğe dönüştürmek üzere tasarlanmıştır. Güneşten dünyaya enerji akışı yılda 3 × 1024 joule, yani şu anda insanlığın tükettiğinden yaklaşık on bin kat daha fazladır. Bu, dünya yüzeyinin sadece %0,1'inin bile %10 verimliliğe sahip fotovoltaik hücrelerle kaplanmış güneş pilleriyle donatılmasının mevcut ihtiyaçlarımızı karşılamak için yeterli olacağı anlamına gelir. Üçüncü nesil güneş hücreleri; organik güneş hücreleri (OGH'ler), boya duyarlı güneş hücreleri (BDGH'ler) ve perovskit güneş hücreleri (PGH'ler), diğer nesil güneş hücrelerinden daha iyi stabiliteye sahiptir ve %20'nin üzerinde verimlilik sağladıkları bildirilmiştir. Üçüncü nesil FV teknolojileri arasında, 1991'de Grätzel ve O'Regan tarafından bildirildikleri günden bu yana Boya Duyarlı Güneş Hücreleri (BDGH'ler), çevre dostu olmaları, iyi stabiliteleri, basit üretimleri, düşük maliyete sahip olmaları ve hem açık havada hem de kapalı mekân aydınlatma koşullarında nispeten yüksek verimlilikleri sebebiyle büyük dikkat çekmiştir. BDGH'lerin diğer fotovoltaik teknolojilere kıyasla kapalı mekân aydınlatma koşullarında %28,9 gibi çok yüksek bir verim sağlaması, küçük elektronik cihazların otonom çalışmasına izin verecek yeterli gücü sağlayabilir. BDGH'ler, özellikle kablosuz sensör ağları, spor ve tıbbi cihazlar, kameralar, güvenlik sensörleri ve giyilebilir elektronikler gibi uygulamalarda çok faydalı olmuştur. Boya Duyarlı Güneş Hücreleri (BDGH'ler), çevre dostu olmaları, iyi stabiliteleri, basit üretimleri, düşük maliyete sahip olmaları hem açık hava hem de kapalı mekân aydınlatma koşullarında nispeten yüksek verimlilikleri gibi avantajlarından dolayı araştırmacıların dikkatini çekmiştir. BDGH'lerde kullanılan boyalar metal kompleks, doğal ve organik boyalar olarak üçe ayrılır. Tüm bu boya türlerinden metal içermeyen organik boyalar, yüksek molar absorpsiyon katsayısı, düşük toksisite ve nispeten basit sentezleri nedeniyle diğerlerine göre daha avantajlıdır. Metal içermeyen bu boyalar donör(D)-π-akseptör(A) yapısına sahiptir ve π-köprüsü, elektron donörünü (D) elektron akseptörüne (A) bağladığı için moleküller arası yük transferini (ICT) kolaylaştırır. Alternatif olarak, π ve D bölgeleri arasına elektron çeken gruplar, yani yardımcı akseptörler eklenerek verimli ve stabil bir organik duyarlaştırıcı geliştirilmiştir. Yardımcı akseptörün absorpsiyon dalga boyunu uzattığı ve böylece hücre verimliliğini yüksek oranda artırdığı bildirilmiştir. Dahası, D-A-π-A yapısındaki boyalar, agregasyonu ve elektron rekombinasyonunu önleyerek fotostabiliteyi ve fotovoltaik performansı iyileştirir. Polisiklik akridin türevleri, konjuge düzlemli yapısı olan ve birçok uygulamada kullanışlı olan bileşiklerdir. Pigment ve boyar maddeler olarak kullanılmalarına ek olarak yoğun floresansları, üstün elektron transfer özellikleri, güçlü absorptiviteleri ve yüksek foto, termal ve elektrokimyasal stabilite özellikleri nedeniyle birçok uygulamada kullanılmaktadırlar. Tez çalışması kapsamında akridin π-köprüsü bazlı olarak tasarlanmış ve sentezlenmiş olan donör-yardımcı akseptör-π-akseptör (D–A–π–A) yapısına sahip yeni bir organik boya (BIM37), boya duyarlı güneş hücrelerinde (BDGH) uygulanmıştır. Literatürde daha önce sentezlenen akridin bazlı D–π–A–π–A boyalarının (BIM25 ve BIM26) aksine, BIM37 boyasının donör ve π–köprüsü arasına bir yardımcı akseptör yerleştirilmiştir ve bu değişiklik diğerler boyalara göre absorpsiyon spektrumunda önemli bir kırmızıya kayma sağlamıştır. Bu nedenle, BIM37 bazlı BDGH, literatürdeki akridin bazlı diğer BIM25 (%3,76) veya BIM26 (%4,56) boyalarının verimlerinden daha yüksek olan %5,03'lük bir güç dönüşüm verimliliği (EDV) elde etmiştir. BDGH'lerde yardımcı adsorbanlar, boya agregasyonunu önleyerek elektron enjeksiyonunu artırır ve yük rekombinasyonunu azaltarak hücre verimini artırır. Ayrıca, boyalarla birlikte kullanıldıklarında daha yoğun bir yarı iletken yüzey tabakası oluştururlar. Bunların arasında, özellikle kenodeoksikolik asit (CDCA) yaygın olarak kullanılmaktadır. Ortak-duyarlaştırma yönteminin temel prensibi, pankromatik ışık hasadı ile daha geniş bir absorpsiyon spektrumu elde ederek hücre verimini arttırmaktır. Bu yöntemde, birbirini spektral olarak tamamlayan iki veya daha fazla boyayı yarı iletken yüzeyine adsorbe ederek, BDGH'lerin ışık hasadı yetenekleri arttırılır. Duyarlaştırma için kokteyl yöntemi ve sıralı yöntem olarak iki yaklaşım bulunmaktadır. Kokteyl yöntemi, metal oksit yarı iletken içeren çalışma elektrotlarının boyaları içeren karışım çözeltisine bir defada daldırılmasıyla daha basit bir üretim sürecine sahiptir ve bundan dolayı sıralı yöntemden daha avantajlıdır. Ayrıca, bu yöntem, boya moleküllerinin metal oksit yarı iletken olan TiO2 yüzeyine doğal bir şekilde en uygun adsorpsiyon diziliminde yerleşmesini sağlayarak daha yoğun bir moleküler tabaka oluşturulmasına yardımcı olur. Fotovoltaik performansı daha da iyileştirmek için ortak-duyarlaştırma yöntemlerinden biri olan kokteyl stratejisi uygulanmıştır. Ortak-adsorban olarak kenodeoksikolik asit (CDCA) kullanıldığında, BIM37+BIM26 bazlı ortak-duyarlaştırılmış BDGH %6,30'luk yüksek bir verim göstermiştir. Bu verim, CDCA içeren ve içermeyen tek başına duyarlaştırılmış BDGH'lerden daha yüksektir. Çalışmada sentezlenen BIM37 boyası optik olarak karakterize edilmiş ve 485 nm'de absorpsiyon piki gözlenmiştir. Elektrokimyasal karakterizasyonu gerçekleştirilerek dönüşümlü voltametri (CV) ölçümleri sonucu HOMO enerji seviyesi için değer 0,91 eV ve LUMO enerji seviyesi için değer -1,32 eV olarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar doğrultusunda BIM37 boyasının absorpladığı bölgeden dolayı ışık hasadı için çok uygun olduğu ve hücre içerisinde elektron enjeksiyonu ve boya rejenerasyonu gerçekleştirebileceği gözlenmiştir. TiO2 yani metal oksit yüzeyine adsorbe olan boya miktarı da hücrenin verimini etkiler. Bu sebepten dolayı BIM37 boyası için metanol, asetonitril:tert-bütanol ve tetrahidrofuran (THF) içerisinde çözücü denemesi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra uygun çözücü seçilerek boya çözeltilerinde süre denemesi yapılmış ve maksimum verimin elde edilebildiği süre % güç dönüşüm verimliliği (η) bulunarak tespit edilmiştir. Tüm optimizasyon basamakları boyunca verimler güç dönüşüm verimliliği (EDV) ile hesaplanmıştır. Uygun süre belirlendikten sonra anot seçimi için farklı parçacık boyutlarına sahip TiO2 anotları hazırlanmıştır. Bu anot türlerinden biri iki katmanı da 18-20 nm parçacık boyutuna sahip transparan TiO2 (TSP/TSP) pastası ile hazırlanmıştır. Diğer anot türü ise ilk katmanı TSP pastası ile, ikinci katmanı 100 nm'den büyük parçacıklı ve reflektif özellikli TiO2 pastası ile (TSP/RSP) elde edilmiştir. Daha sonra çözücüsü THF olarak belirlenen BIM37 boyasında her iki anot türü de maksimum süresince bekletilmiştir. Sonuçlar doğrultusunda en iyi anot türü TSP/TSP olarak gözlenmiştir. EDV, BIM37 için 10 saat adsorpsiyon süresi ile %5,03 olarak bulunmuştur. Bu verimi arttırabilmek için daha önceden sentezlenmiş olan BIM26 boyası ile ortak-duyarlaştırma stratejilerinden biri olan kokteyl metodu uygulanmıştır. Bunun için farklı molar oranlarda boya karışımları hazırlanmış ve BIM37+BIM26 (1:3) yani hacimli molekül olan BIM37'nin daha az miktarda kullanıldığı oranda en yüksek verim (%5,41) elde edilmiştir. Ortak-duyarlaştırma sonucu elde edilen verimi daha da arttırabilmek için moleküllerin π istiflenmesi olmadan daha düzgün dizilebilmesi amacıyla bir ortak-adsorban olan CDCA kokteyl karışımına eklenerek yine maksimum süre %6,30 verimi elde edilmiştir. Son olarak BIM37 boyasına dayanan hücre ve tüm ortak-duyarlaştırılmış hücrelerin fotovoltaik performansları elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), % foton akım dönüşüm verimliliği (IPCE) teknikleri kullanılarak ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre BDGH'lerin performansını artırmak için moleküler mühendislik, ortak-duyarlaştırma için etkili bir yöntemdir.