Termoelektrik malzeme ve modül üretimi için 3D yazıcı geliştirilmesi

Dünya üzerinde kullandığımız enerjinin büyük çoğunluğu atık ısı olarak atmosfere karışmaktadır. Hiçbir dönüşüme tabi tutulmadan yok olan bu ısı enerjisinden doğrudan elektrik enerjisi üretmek mümkündür. Bunun için en ideal teknoloji termoelektrik (TE) malzeme esasına dayanan TE jeneratörlerdir. Güneş ve rüzgar enerji kaynaklarına göre pek çok avantajı bulanan bu TE jeneratörler ile ilgili en önemli problem verimliliklerinin henüz istenen seviyede olmamasıdır. Bugün verimlilikleri her ne kadar %17 mertebesine ulaşmış olsa da bu cihazların güneş ve rüzgar panelleri ile rekabet edebilecek konuma gelmesi için verimliliklerinin %25-30 seviyesine ulaşması gerekmektedir. Dolayısıyla dünya genelinde bu alanda yapılan araştırmaların genel hedefi bu malzemelerin verimliliklerini artırmak, bunlardan modül yapmak ya da farklı uygulama alanlarını geliştirmektir. Bu çalışmamızın konusu farklı hazırlama teknikleri (katıhal reaksiyon, arc melting, fast quenching gibi) ve teorik yaklaşımlar [Phonon-Glass-Electron-Crystal (PGEC), Phonon-Liquid Electron-Crystal (PLEC), nano structuring) kullanarak yüksek verimli TE malzemeler sentezlemek ve sonrasında modül üretimi yaparak bunların teknolojik uygulamalarını geliştirmektir. TE malzemeler ve modüller uzun, enerji tüketen ve kısmen maliyetli üretim süreçleri ile üretilirler. TE malzemelerinin ve modüllerinin düşük maliyetli ve hızlı üretim yöntemlerinden biri Üç Boyutlu (3D) yazıcı üretim tekniğidir. Bu tezin amacı, yüksek verimli malzemeleri klasik yöntem ve 3D Yazıcı tekniği ile üreterek karşılaştırmasını yapmaktır. Bu tez çalışmasında ilk aşamada nano kompozit bileşikler sentezlenerek yapısal ve termoelektrik özellikler incelenmiş, daha sonra 3D baskı için özel bir yazıcı geliştirilmiştir. Son aşamada ise 3D yazıcı ile farklı şekillerde TE bileşikler yazdırılmıştır. Nano kompozit TE bileşikler için nano Cu2Se bileşiğine belirli oranda nano Fe3.25Co0.75Sb12 bileşikleri katkılanmış ve TE özellikleri incelenmiştir. Nano Cu2Se1-x (FeCoSb)x (x=0.0-0.5) farklı oranlarda FeCoSb katkılandığında, %0.5 oranında nano FeCoSb katkısının bileşiğin elektriksel iletkenliğini azalttığı, buna karşın Seebeck katsayısında önemli bir artış sağlayarak zT değerinde %15 oranında bir artış sağladığı görülmüştür. Bu tez çalışmasında yapılan bir diğer çalışma ise TE bileşiklerden kolayca modül yapımını sağlayacak fonksiyonel bir 3D yazıcı geliştirilmiştir. Geliştirilen fonksiyonel bir 3D yazıcı akışkan formda üretilmiş TE malzemelerin (N veya P tipi) homojen bir karışımın sağlanması ve akabinde istenilen geometrik şekilde TE modül üretilmiştir. 3D yazıcı ile A4 yazıcı kağıt üzerine üretilen TE modüller sırasıyla büyük (8x8 cm) ve küçük (3x3 cm) boyutlarda kelebek şeklinde 4 x1 cm boyutlarında altıgen formunda, 4x2 cm boyutlarında IUC logo ve 1.5x4 cm boyutlarında klasik (dikey) modüller üretilmiştir. Bu modüller için geliştirilen şerit ısıtıcı modüllerin bir yüzeyine uygulanarak sıcaklık farkına bağlı olarak 3D yazıcı ile modüllerin üretmiş olduğu açık uç gerilimleri ölçülmüştür. Sıcaklık farkı sırasıyla yaklaşık 10, 30 ve 60 K olarak uygulanmış ve sıcaklık farkı arttıkça tüm modüllerde üretilen açık uç gerilimin arttığı gözlenmiştir. En yüksek açık uç gerilimi geniş (8x8 cm) ve küçük (3x3 cm) boyutlarında sırasıyla 60 K 80 mV ve 16 mV olarak elde edilmiştir. Sonrasında aynı sıcaklık farklarında en yüksek açık uç gerilimleri sırasıyla logo formunda modül, altıgen ve klasik (dikey) modülde sırasıyla 12 mV, 8 mV ve 7 mV olarak elde edilmiştir. Elde edilen açık uç gerilimlerinde art formunda yani kelebek ve logo formunda daha yüksek açık uç gerilimi elde edilmesinin şekil itibari ile yüzeyler arasında sıcaklık farkının daha yüksek oluşturulabilmesinden kaynaklanmaktadır. 3D yazıcı ile üretilen modüller klasik yani (seramik plakalı rijit) modüllere göre üretmiş olduğu açık uç gerilimi düşük kalmıştır. Bu durum rijit modüllerde kullanılan bacak sayısının fazla olması, TE bacakların solid formda olması nedeniyle Seebeck voltajının yüksek olması, ısı kaynağının doğrudan modüllere homojen ve üniform (seramik plaka sayesinde) olarak temas etmesi ancak 3D yazıcıyla üretilenlerde bunun sağlanamamış olması gibi nedenlerden kaynaklandığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak geliştirilen ve yazılım destekli otomatik kontrol sistemine sahip olma, akıtma ve sinterleme işleminin eş zamanlı olarak yapılabilme gibi özelliklere sahip 3D yazıcı ile farklı şekilllerde Bi-Sb-Te bazlı TE modüller başarılı şekilde üretilmiş ve bu yöntemle hızlı ve düşük maliyetli modül üretiminin mümkün olabildiği ortaya konulmuştur. Akıtma uçlarının TE bileşik tipine göre optimize edilmesi, sinterleme süresi ve TE malzemelerin vizkozitesinin optimize edilmesi ile daha yüksek performanslı TE modüllerinin de üretilebileceği bu tez çalışması sonunda elde edilen bir diğer sonuç olmuştur.