Sentetik ve doğal boyaların güneş hücrelerinde kullanımlarının incelenmesi

İnsanın sürekli artan enerji ihtiyacı, onu sürdürülebilir ve çevre dostu enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Gelişen teknolojinin getirdiği yeni ihtiyaçlar doğrultusunda, temiz enerji üretimine yönelik bilimsel çalışmalar artmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları, doğada sürekli bulunan ve düzenli olarak elde edilebilen kaynaklardan sağlanmaktadır. Rüzgâr, güneş, biyokütle, jeotermal, dalga enerjisi ve hidroelektrik gibi yenilenebilir enerjiler, fosil yakıtlara göre tükenmez yapıları ve düşük karbon salınımları ile sürdürülebilir alternatifler sunmaktadır. Güneş enerjisinden elektrik üretimi, üniversiteler ve bilim insanları tarafından araştırılan önemli bir alan haline gelmiştir. Son yıllarda çevresel duyarlılığın artması ve kamuoyunun fosil yakıtlardan uzaklaşılması yönündeki baskılarıyla, uluslararası şirketler de yenilenebilir enerjiye yönelmiştir. Büyük şirketlerin güneş enerjisine yaptığı yatırımlar sayesinde teknolojik gelişmeler hızlanmış, üretim kapasitesi artmış ve seri üretimle maliyetler düşmüştür. Böylece, daha önce pahalı olarak görülen güneş enerjisi teknolojileri günümüzde daha erişilebilir ve elektrik üretiminde katkı sağlayan sistemler haline gelmiştir Boya duyarlı güneş hücreleri (BDGH), düşük maliyetleri, kolay üretim süreçleri ve büyük ölçekli uygulamalar için potansiyelleri nedeniyle yenilenebilir enerji üretimi için umut vadeden bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. Ancak, daha yüksek enerji dönüşüm verimliliğine (EDV) ulaşmak hala bir zorluktur. Bu tez çalışmasında, doğal boyalar olan antosiyanin (Clitoria ternatea L. çiçeklerinden) ve klorofilin (Spinacia oleracea yapraklarından elde edilen) yanı sıra sentetik metal içermeyen boyalar (BIM33 ve C1) kullanarak BDGH'lerin verimlerinin arttırılması amaçlanmıştır. Ayrıca çalışmada, boya agregasyonunu önlemeye yönelik yeni amin bazlı ortak adsorbanlar olan trietilamin (TEA) ve dietilentriamin (DETA) kullanılmıştır. Boya agregasyonu BDGH'lerde yaygın bir sorundur ve verimliliği sınırlayabilir. Bu çalışmada kullanılan doğal boyalar, modern bir yöntem olan ultrasonik destekli ekstraksiyon (UAE) ile çıkarılmıştır. Bu yöntem, boya ekstraksiyon verimliliğini artırmak için kanıtlanmıştır. Antosiyanin (ANT) Clitoria ternatea L. çiçeklerinden ve klorofil (CHL) ise Spinacia oleracea yapraklarından çıkarılmıştır. İki farklı ortak duyarlaştırma tekniği kullanılmıştır. Birincisi, kokteyl ortak duyarlaştırma: Boya karışımları aynı anda TiO2 yüzeyine uygulanmıştır. İkincisi, sıralı ortak duyaraştırma: Boyalar sırayla uygulanmış ve böylece yüzeyde daha kontrollü bir katmanlama sağlanmıştır. Boya agregasyonunu önlemek için TEA ve DETA, yaygın olarak kullanılan CDCA'ya alternatif ortak adsorbanları olarak kullanılmıştır. Bu ortak adsorbanlar, boya agregasyonu ve elektron enjeksiyonu üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla çeşitli konsantrasyonlarda test edilmiştir. Boyaların optik özellikleri, UV-Vis spektroskopisi kullanılarak hem çözelti içinde hem de TiO2 üzerine adsorbe edildiğinde ışık absorpsiyon aralıklarını belirlemek için değerlendirilmiştir. Boyaların elektrokimyasal özellikleri, en yüksek dolu moleküler orbital (HOMO) ve en düşük boş moleküler orbital (LUMO) enerji seviyeleri de dahil olmak üzere, dönüşümlü voltametri (CV) kullanılarak ölçülmüştür. BDGH'lerin fotovoltaik özellikleri akım yoğunluğu-voltaj (J-V) karakteristikleri ile ölçülmüş ve elektron taşınım özellikleri elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) kullanılarak incelenmiştir. Antosiyanin ve klorofilin UV-Vis absorpsiyon spektrumları geniş bir absorpsiyon aralığını göstermiştir. Ortak duyarlaştırma yöntemi uygulandığında, bu absorpsiyon aralığı özellikle görünür spektrumda genişlemiş ve bu da BDGH'lerin fotovoltaik verimliliğini artırmada kritik bir rol oynamıştır. Antosiyanin üzerine TEA ve DETA gibi ortak adsorbanlar eklendiğinde, absorpsiyon tepe noktası kırmızı bölgeye kaymış ve genişlemiştir. Buda ışık hasadı kapasitesi arttırmıştır. Sadece antosiyanin bazlı BDGH'lerin EDV'si %1,95'tir, ancak bu verim, ortak adsorban olarak 0,01 mM CDCA eklendiğinde %2,42'ye yükselmiştir. Ayrıca, alternatif ortak adsorbanlar olarak TEA ve DETA kullanıldığında, EDV sırasıyla %3,11 ve %4,33'e yükselmiştir. En iyi sonuçlar, DETA ile elde edilmiştir, bu da yalnızca boya agregasyonunu önlemekle kalmamış, aynı zamanda daha sıkı bir boya tabakası oluşturarak elektron enjeksiyon verimliliğini artırmıştır. Tek başına klorofilin EDV'si %1,19'dur, bu da antosiyanine göre daha düşüktür. Ancak, antosiyanin ile birlikte kokteyl ortak duyarlaştırma yöntemiyle kullanıldığında, EDV %2,39'a yükselmiş ve bu ortak duyarlaştırmanın ışık hasadının artmasında etkili olduğunu göstermiştir. Metal içermeyen sentetik boyalar (BIM33 ve C1) ile hazırlanan BDGH'ler için de ortak adsorbanlar önemli bir rol oynamıştır. TEA kullanıldığında, BIM33'ün EDV'si %3,19'dan %4,60'a, C1'in ise %5,01'den %6,31'e yükselmiştir. Bu durum, boyanın moleküler yapısına uygun ortak adsorban seçiminin önemini vurgulamaktadır. Antosiyaninin BIM33 ve C1 ile sıralı ortak duyarlaştırılması da verim artışlarına yol açmış ve sırasıyla %4,28 ve %6,25 EDV değerlerine ulaşılmıştır. Bu sonuçlar, sıralı ortak duyarlaştırma yaklaşımı ile doğal ve sentetik boyaları birleştirerek güneş hücresi performansını optimize etmek için potansiyel sunduğunu göstermiştir. Boyaların optik ve elektrokimyasal karakterizasyonları, HOMO ve LUMO enerji seviyelerinin, TiO2'nin iletkenlik bandına elektron enjeksiyonu ve redoks elektroliti tarafından yeniden üretilmesi için uygun olduğunu göstermiştir. Bu da BDGH'lerde verimli yük transferini sağlamıştır. IPCE analizleri, TEA ve DETA'nın kullanımıyla birlikte hücredeki foton-emilimden elektron taşımasına kadar olan tüm süreçlerin etkinliğini değerlendirilmiş ve JSC grafiği birleştirilerek hücrenin genel performansı üzerinde detaylı analiz yapılmıştır. Güneş hücrelerinde hücre performansını etkileyen elektro-kimyasal ve ara yüzey süreçlerini anlamak için EIS analizleri yapılmıştır. Nyquist diyagramlarında elde eldilen yük rekombinasyon direnci ve bode diyagramlarından tahmin edilen elektron ömrü, deneysel VOC değerlerindeki değişimlerle uyum göstermektedir. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, BDGH'lerin verimliliğini ortak duyarlaştırma ve ortak adsorpsiyon stratejileriyle artırmaya yönelik önemli bulgular sunulmuştur. Antosiyanin ve klorofil gibi doğal boyaların, BIM33 ve C1 gibi sentetik boyalarla birleştirilmesi ve alternatif ortak adsorbanların (TEA ve DETA) kullanılması sayesinde, güneş hücrelerinin ışık toplama kapasiteleri ve elektron enjeksiyonu verimliliği artırılmıştır. En yüksek EDV, sentetik boya C1 ve TEA ortak adsorbanı ile %6,31 olarak elde edilirken, doğal boyalar için en iyi performans, antosiyanin ve DETA ile %4,33 olmuştur. Bu bulgular, sürdürülebilir ve çevre dostu BDGH'lerin, doğru boya ve ortak adsorban seçimiyle optimize edilerek daha yüksek verimliliklere ulaşabileceğini göstermektedir. Bu strateji, daha uygun maliyetli ve verimli güneş enerjisi teknolojilerine yönelik umut verici bir yol sunmaktadır.