Metal içermeyen sentetik ve ticari boyaların güneş hücrelerinde ortak duyarlaştırıcı olarak kullanımının araştırılması

Artan nüfus artışı, gereksinim duyulan enerji miktarının yükselmesine sebep olmuştur. Geleneksel enerji kaynakları olan doğal gaz, kömür ve fosil yakıtların çevre üzerindeki olumsuz etkileri nedeniyle, dünya genelinde alternatif enerji kaynaklarına yönelme eğiliminde bir artış yaşanmaktadır. Ayrıca, fosil yakıt rezervlerinin hızla tükenmesi, dünya genelinde bir çok araştırmacı çevre dostu veya düşük kirlilikle ilişkilendirilen alternatif ve yenilenebilir enerji kaynaklarını araştırmanın önemini vurgulamaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları, sürdürülebilir ve sonsuz bir enerji kaynağı olarak kabul edilebilir. Son yıllarda, bir çok ülkede elektrik, hava-su ısıtma/soğutma sistemleri ve ulaşım gibi temel evsel ihtiyaçlar, giderek artan oranda yenilenebilir enerji kaynakları tarafından karşılanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında en önemlileri; rüzgar enerjisi, hidro enerji, gelgit enerjisi, jeotermal enerji ve biyokütle enerjisi şeklinde sıralanabilir. REN21 (21. Yüzyıl için Yenilenebilir Enerji Politika Ağı) raporuna göre, 2015-2016 yıllarında dünya nüfusu tarafından tüketilen toplam enerjinin %19,3'ü yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilmiştir. Bu genel katkı, %8,9'u geleneksel biyokütle kaynaklarından, %4,2'si jeotermal ve güneş enerjisi kaynaklarından, %3.9'u hidroelektrik enerjiden ve geriye kalan %2,2'si rüzgar, güneş ve jeotermal kaynaklardan gelmektedir. Yenilenebilir enerji ile ilişkilendirilen yatırımlar ve işler her yıl artmaya devam etmekte, enerji üretiminin verimliliği ise maliyetin azalmasıyla birlikte artmaktadır. Rapor, bu yenilenebilir enerji kaynakları arasında erişilebilir, bol ve maliyeti olmayan güneş enerjisinin önemli bir rol oynadığını vurgulamaktadır [1]. Bu nedenle, daha önce belirtildiği gibi, güneş enerjisi, küresel enerji tüketim taleplerini karşılamak için olağanüstü bir kapasiteye, bol ve çevre dostu bir kaynağa sahiptir. Günde bir saat Dünya'ya ulaşan güneş enerjisi miktarı, insanların ihtiyacı olan bir yıllık toplam enerji miktarından daha fazladır. Ancak, bu enerjinin tamamını kullanmak zordur ve enerjiyi daha verimli bir şekilde elde etmek için kapsamlı araştırma çabalarına ihtiyaç vardır. Bolluğu ve verimliliği nedeniyle önemli bir yenilenebilir enerji kaynağı olmasına rağmen, güneş enerjisi üretiminin başlıca zorluklarından biri dalgalanma gösteren doğasıdır. Bu alandaki araştırmalar uzun yıllardır devam etmekte olup, fotovoltaik (PV) cihazların temel prensiplerinin daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunmuştur. Fotovoltaik sistemlerin temel prensibi, bir cam levhayı elektron iletkenliği sağlayan bir metal oksit, örneğin TiO2 ile kaplamak ve ardından TiO2 tabakasına bir duyarlaştırıcı boya uygulamaktır. Bu duyarlaştırıcı kaplamalar, fotovoltaik ölçümler için kullanılır. Fotovoltaik çalışmalarda kullanılan duyarlaştırıcı boyalar, maliyeti enyüksek olan bileşenler olduğundan, bu maliyeti azaltmak kritik bir öneme sahiptir. Duyarlaştırıcı boyaların temel görevi, güneşten gelen fotonları absorbe ederek elektron uyarımını sağlamak ve ardından uyarılmış elektronların yarı-iletkenin iletim bandına transferini kolaylaştırmaktır. Boya Duyarlı Güneş Hücreleri'nde kullanılan boyalar; organometalik boyalar, metal içeren boyalar, doğal boyalar, mordant boyalar, kuantum-noktalı boyalar ve perovskit tabanlı boyalar gibi temel başlıklar altında kategorize edilebilir. Metal içermeyen organik boyalar genellikle bir elektron donörü (D), bir π-konjugasyon köprüsü ve bir elektron alıcısına (A) sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. D-π-A yapısı itme-çekme konfigürasyonuna sahiptir. Donör ve akseptör arasındaki fotoindüklenmiş molekül içi elektron transferi, π-elektron köprüsünün iletim hızı ile akseptöre iletilir, bu da önemli bir fotovoltaik verimlilik (PCE) üretebilir. HOMO seviyesi, donör ve π-konjuge bağı ile ilişkilendirilebilir; LUMO seviyesi ise elektron alıcısına bağlıdır ve bu nedenle yüksek hücre verimi elde edebilmek için hassas bir şekilde ayarlanabilir. Donör grupları olarak; fenilamin, aminokumarin, indolin, (di-floronil) TPA ve karbazol gibi elektronca zengin gruplardan seçilir. π-konjugeli gruplar; tiyofenler, polienler ve benzotiyadiazol gibi elektron iletimi kuvvetli gruplardan seçilir. Elektron alıcı grup olarak siyanoakrilik asit, rodaminler ve piridinler tercih edilir. Bu çalışmada, donör-π-akseptör (D-π-A) (BIM33) yapılı, metal içermeyen bir boya molekülünün sentezi gerçekleştirilmiş ve fotovoltaik incelemeler yapılmıştır. Molekül, donör olarak trifenilamin grubunu, π-köprüsü olarak akridin grubunu ve akseptör olarak siyanoakrilik asit gruplarını içermektedir. Daha önce D--A yapılı bir boyada akridin grubu içeren boya sentezi gerçekleştirilmemiştir. Bu çalışma ile yeni bir boya sentezlenmiştir. Sentezlenen BIM33 kodlu boyayla yapılan ilk çalışmada, yapı karakterizasyonu için 1H NMR, 13C NMR ve Yüksek Çözünürlüklü Kütle Spektrometresi (HRMS) yöntemleri kullanılarak karakterizasyon parametreleri gerçekleştirilmiştir. İkinci aşamada, UV-vis ve dönüşümlü voltametri (CV) yöntemleri kullanılarak teorik ve elektrokimyasal özellikler karakterize edilmiştir. Daha sonra, bu duyarlaştırıcıyla üretilen boya duyarlı güneş hücrelerinin akım yoğunluğu-voltaj (J-V) ölçümleri ve güneş ışığı altında (100 mW cm-2) elde edilen foton oranına göre akım dönüşüm verimliliği (IPCE) özellikleri incelenmiştir. Ara yüzey yük transfer süreçleri, elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Sentezlenen BIM33 boyası için uygun çözücü, optimum süre ve maksimum verim için optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. EtOH ve THF çözücüleri kullanılarak, boya için uygun çözücü ve oranları belirlenmiştir. T/SP, R/SP ve D/SP kodlu üç farklı yarı iletken ile boyanın en iyi hücre verimliliği sağladığı TiO2 türü belirlenmiştir. Yapılan her çalışma için ayrı ayrı akım yoğunluğu-voltaj eğrileri alınıp, kaydedilmiştir. Bu çalışma sonununda akım yoğunluğu-voltaj eğrisi değerlerine göre; Voc 0,603 V, Jsc 8,81 mA.cm-2, FF 0,60 ve PCE değeri %3,18 olarak elde edilmiştir. Daha sonra boya üzerinde ortak-adsorban (CDCA) çalışması yapılmıştır. Boya agragasyonunu önlemek için yapılan bu çalışma; düşük konsantrasyondan başlanarak maksimum hücre verimliliğinin elde edildiği değere kadar konsantrasyon artırılarak uygulanmıştır. 3 mM konsantrasyonda hazırlanan CDCA ile akım yoğunluğu-voltaj eğrisi değerlerine göre; Voc 0,622 V, Jsc 9,74 mA.cm-2, FF 0,70 ve PCE % 4,22 şeklinde yükselme göstermiştir. BIM33 boyasının mevcut veriminin CDCA kullanımı ile hücre verimliliğinde artış gözlenmesi ile, boyanın yapı olarak agregasyona müsait olduğu ve TiO2 yüzeyine yığılma şeklindekaplandığı görülmüştür. CDCA kullanımı bu yığılmayı düzenli istiflenme şeklinde yenileyerek boya içerisindeki elektron akışının düzenli bir şekilde gerçekleşmesini sağlamıştır. BIM33 boyası için katı-UV (TiO2-UV) ve solüsyon-UV ölçümleri alınmıştır. Elde edilen absorbans-dalgaboyu grafiğine göre; TiO2-UV için 409,5 nm ve 523 nm, solüsyon-UV için 371 nm ve 444 nm olan iki farklı dalgaboyunda maksimum absorbans piki vermiştir. Solüsyon-UV ile elde edilen dalgaboyları TiO2-UV'ye göre sağa yani kırmızı alana kayma göstermiştir. BIM33 boyası ile CV çalışması yapılmıştır. Referans olarak ferrosen kullanılmıştır. Çözücü olarak DMSO kullanılmıştır. Bu çalışma sonucunda boyanın HOMO'su -0,98 V ve LUMO'su 1,48 V olarak ölçülmüştür. CV analizinde boyanın TiO2'nin iletkenlik bandından daha düşük olması istenir. Bu da boyadan elektron akışının kolay bir şekilde gerçekleştirmesini sağlar.BIM33 boyasının HOMO değerinin, -0,5 V olan TiO2'nin HOMO değerinden daha düşük olması ile bu çalışmanın uygulanabilirliği görülmüştür. BIM33 boyasının mevcut hücre verimliliğinin yükseltmek amacıyla ortak duyarlaşma çalışması yapılmıştır. D205, RK1 ve N719 gibi ticari amaçla üretilip satılan üç farklı referans boya kullanılarak sıralı ortak duyarlaşma ve karışım halinde uygulanan ortak duyarlaşma şeklinde gerçekleştirilebilen iki farklı ortak duyarlaşma çalışması gerçekleştirilmiştir. BIM33 ve RK1 boyaları ile sıralı ortak duyarlaşma çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Mevcut hücre verimliliği Voc 0,686 V, Jsc 19,49 mA.cm-2, FF 0,62 ve PCE % 8,25 olan RK1 boyası ile yapılan çalışma sonucunda maksimum hücre verimliliği Voc 0,654 V, Jsc 19,13 mA.cm-2, FF 0,65 ve PCE % 8,09 olarak elde edilmiştir. Daha sonra BIM33 ve N719 boyaları ile hem sıralı hem de karışım halinde uygulanan ortak duyarlaşma çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Mevcut hücre verimliliği Voc 0,708 V, Jsc 15,23 mA.cm-2, FF 0,64 ve PCE % 6,90 olan N719 boyası ile yapılan karışım halinde uygulanan ortak duyarlaşma çalışması sonucunda maksimum hücre verimliliği Voc 0,645 V, Jsc 14,68 mA.cm-2, FF 0,60 ve PCE % 5,68 olarak elde edilmiştir. Daha sonra uygulanan sıralı ortak duyarlaşma çalışması sonucunda elde edilen maksimum hücre verimliliği Voc 0,606 V, Jsc 15,42 mA.cm-2, FF 0,58 ve PCE % 5,39 olarak ölçülmüştür. Son olarak BIM33 ve D205 boyaları ile sıralı ortak duyarlaşma çalışması gerçekleştirilmiştir. Mevcut hücre verimliliği Voc 0,665 V, Jsc 11,65 mA.cm-2, FF 0,68 ve PCE % 5,29 olan D205 boyası ile yapılan sıralı ortak duyarlaşma çalışması sonucunda maksimum hücre verimliliği Voc 0,662 V, Jsc 17,02 mA.cm-2, FF 0,61 ve PCE % 6,87 olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlar neticesinde BIM33 kodlu D--A yapılı metal içermeyen yeni sentezlenmiş bir boya ile boya duyarlı güneş hücrelerinde elde edilen mevcut hücre verimliliğinden daha yüksek bir hücre verimliliği elde edilmiştir. Elde edilen değerlere bakıldığında hem BIM33 boyasının hem de D205 boyasının mevcut verimliliğinden daha yüksek olan % 6,87 değeri elde edilmiştir.