Production of dye sensitized solar cell and optimization of production parameters

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