Yeni Nesil Organik Fotovoltaik Teknolojiler Doç.Dr.Dr. Ceylan ZAFER Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü,

Transkript

1 Yeni esil Organik Fotovoltaik Teknolojiler Doç.Dr.Dr. Ceylan ZAFER Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü, 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu

2 İçerik Organik Fotovoltaik Teknolojiler: Boya Duyarlaştırıcılı Güneş Hücreleri Elektrolitli Hücreler Katı-Hal Hücreler Perovskite Güneş Hücreleri Plastik Güneş Hücreleri Moleküler Güneş Hücreleri (Tang Hücresi) Polimer Güneş Hücreleri Organik Fotovoltaik Teknolojilerde Endüstriyel Gelişmeler 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 2

3 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 3

4 GÜEŞ IŞIIMI SPEKTRUMU 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 4

5 I. 1inci esil Tek kristal Si II. FOTOVOLTAİK HÜCRE TEKOLOJİLERİ Çok kristal Si 2nci esil (Düşük maliyetli-ince Film Teknolojisi) Amorf Si İnce Film Si III. CuInSe 2 CdTe 3üncü esil Organik Boya Duyarlaştırıcılı Güneş Hücreleri Plastik Güneş Hücreleri (moleküler ve polimerik) Yüksek verimli çok kavşaklı tandem güneş hücreleri Sıcak elektron dönüştürücüleri Kuantum parçacık güneş hücreleri Çoklu eksiton üretimi (MEG) Ara-band Güneş Hücreleri (İntermediate band Solar cells) 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 5

6 Fotovoltaik Hücre Verimleri (Laboratuvar) 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 6

7 Tek Eklemli Geleneksel PV Pil 1 e - - h + çifti/foton; tam sıcak taşıyıcı sönümlenmesi Enerji e - Isıl kayıp η max = 32% (Schockley-Queisser Limit) e - hν p-tipi n-tipi Kullanılabilir foto-gerilim(qv) Isıl Kayıp h + 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 7

8 Duyarlaştırma: Fotosentez 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 8

9 Boya Duyarlaştırıcılı Güneş Hücreleri (DSSC) Cam TCO Platin Elektrolit Boya TiO 2 TCO Cam 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 9

10 Tarihsel Gelişim Boya duyarlaştırıcılı güneş hücreleri (DSSC), inve film güneş hücreleri sınıfında yer alan düşük maliyetli fotovoltaik sistemlerdir. Boya duyarlaştırıcılı güneş hücreleri, aynı zamanda Graetzel hücresi olarak da bilinir, ilk olarak 1988 yılında M. Graetzel ve Brian O Regan tarafından UC Berkley de keşfedilmiş ve sonrasında 1991 yılında aynı kişiler tarafından École Polytechnique Fédérale de Lausanne da (EPFL) geliştirilerek ature dergisinde yayınlanmıştır. Michael Graetzel, 2010 yılında Millenium Teknoloji Ödülü ile ödüllendirildi. 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 10

11 DSSC lerde Yük Taşınımı ve Enerji Dengesi 2 e - S + /S* 1 Boyanın Uyarılması 4 e - 2 Elektron Aktarımı e - 1 S/S + e - 5 I - /I 3 - Redox Couple 3 Yüklerin Toplanması Dye 3 TiO 2 e - 4 Elektrolitin İndirgenmesi e - e - 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 5 Boyanın Rejenerasyonu 11

12 DSSC asıl Çalışır? e CB 4,2eV S*/S+ 3,7eV ELEKTROLİT (I - /I 3- ) Platin Electrode T C O E F TiO 2 7,4eV Boya 6,1eV e e V=V oc 4,85 ev 4,7eV e VB S/S+ Yük 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 12

13 DSSC Optimizasyon Parametreleri Elektrotlar TCO İletkenliği Geçirgenlik Yarıiletken Malzemeler Bant Boşluğu Kusurlar Parçacık Boyutu Yüzey Alanı Elektrolit Difüzyon Sabiti Redoks Potansiyeli Katkılar Yükseltgenme Derecesi Buhar Basıncı Boya Soğurma sabiti Spektral Kaplama Alanı Kararlılık Elektron transfer hızı 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 13

14 ano-kristal Elektrotlar ve Oksit Yarıiletkenler Foto-korozyona karşı sahip oldukları kararlılık. Görünür bölgede saydam(e G > 3eV). Yüksek yüzey alanı. Toksik değil. Düşük maliyet. 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 14

15 A MORFOLOJİ B C Şekil 5.1. a) 100nm kalınlığındaki gözeneksiz TiO 2 filminin görüntüleri, b) 10µm kalınlığındaki gözenekli TiO 2 filminin AFM görüntüleri, c) 3µm kalınlığındaki gözenekli TiO 2 filminin SEM görüntüleri, 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 15

16 Organometalik Boyalar: Rutenyum Kompleksleri COOH COOH S HOOC COOH HOOC C S HOOC C C S Ru Ru Ru C S HOOC COOH HOOC C S HOOC COOH COOH COOH

17 %12 Verimli Porfirin Boyası ile Duyarlaştırılmış Güneş Hücreleri Şekil: YD2 (sol) ve YD2-o-C8 (sağ)porfirin boyaları Tablo: Standart şartlar altında YD2 ve YD2-o-C8 boyaları ile üretilmiş güneş hücresinin performans parametreleri. Science, 334 (2011) , DOI: /science Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 17

18 Organik Duyarlaştırıcıların Blok Modeli Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 16, Issue Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 18

19 Test Edilen Organik Boyalar η: %8 D77 η: %8 KX2587 (n=1) KX2697 (n=3) D149 η: %8 η: %7 MK1: (R=C6H13) n=3 MK2: (R=C6H13) n=4 MK3: (R=H) n=3 MK11: (R=C6H13) n=5 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 19

20 BG-1 BG-2 Table 4: Photovoltaic performances of the DSSCs sensitized with BG-1, BG-2 and reference dye Z-907 under 100mWcm -2 light intensity and AM 1.5 global radiation Dye I sc (ma/cm 2 ) V oc (mv) FF M.Power (mw/cm 2 ) I mpp (mw/cm 2 ) V mpp (mv) Efficiency(%) BG-1 9, ,63 3,95 8, ,95 BG-2 8, , , ,73 Z907 12, ,66 4,81 11, ,81 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu C. Zafer et al. Journal of Physical Chemistry C, 114 (2010)

21 H 17 C 8 C 8 H 17 C COOH C COOH BG-501 Table.2- DSSC performance parameters of dyes a BG-502 Dye Jsc Voc FF M.Power Jmpp Vmpp Efficiency (ma/cm 2 ) (mv) (mw/cm 2 ) (ma/cm 2 ) (mv) (%) BG BG Z a Performances of DSSCs were measured with 1 cm 2 working area. C. Zafer et al. Solar Energy Materias and Solar Cells, 94 (2010) Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu

22 Current Density (ma/cm 2 ) H 13 C 6 O Quinoxaline Boyaları Acceptor H 13 C 6 O S HO O MK148 MK150 Z907 0 Donor H 9 C 4 O OC 4 H 9 KD π- bridge 0,0 0,2 0,4 0,6 Bias (V) Dye I sc (ma/cm 2 ) V oc (mv) FF M.Power (mw/cm 2 ) I mpp (mw/cm 2 ) V mpp (mv) Efficiency(%) KD-148 4, ,60 1,54 4, ,54 KD-150 7, ,56 2,32 6, ,32 Z ,45 4,08 11, ,08 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 22

23 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 23

24 Organik mi? Organometalik mi? Organometalik boyalar: Daha geniş soğrma bandına sahipler En yüksek dönüşüm verimine sahipler. Yapısal olarak sınırlı modifikasyon imkanı. Yüksek maliyet. Organik Boyalar: Daha yüksek molara soğurma katsayısına sahipler. Kolaylıkla yapısal değişiklik ve farklı renk elde etme imkanı Daha hızlı elektron aktarım hızı. Düşük maliyet. 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 24

25 Elektrolit DSSC de kullanılan redoks çifti (elektrolit) için ideal şartlar: Redoks çiftinin redoks potansiyeli boyanın HOMO enerji seviyesi ile uyumlu olmalıdır. Yüksek difüzyon katsayısına (De) sahipolmalıdır Görünür bölgede ışığı soğurmamalıdır Kararlı olmalıdır Kimyasal olarak inert (soy) olmalıdır Çözücü: Düşük buhar basıncına sahip sıvı olmalıdır. Viskozitesi düşük olmalıdır Dielektrik sabiti yüksek olmalıdır. Görünür bölgede soğurma yapmamalıdır. Endüstriyel uygulamalar için düşük maliyetli olmalıdır. Toksik olmamalıdır İYOİK SIVILAR İmidazolium Tuzları 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 25

26 TiO 2 Film Kaplama DSSC Üretimi DSSC Modülü Sinterleme TiO 2 in duyarlaştırılması ve elektrolit dolumu 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 26

27 Kararlılık Testleri Standart: IEC Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 27

28 Katı Hal Boya Duyarlaştırıcılı Güneş Hücreleri (SS-DSSC) Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu

29 Spiro-OMeTAD ın TiO 2 gözeneklerine dağılımı PhD Thesis, L. S. Mende, EPFL-LPI, Lausanne athalie ROSSIER-ITE, PhD Thesis, 2006, EPFL, Lausanne 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 29

30 SS-DSSCs için Organik Sensörler Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu J. Phys. Chem. C 2012, 116,

31 SS-DSSCs için Organik Sensörler 31 J. Phys. Chem. C 2012, 116, Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu

32 Perovskite temelli SS-DSSC ler Gratzel et al. ATURE PHOTOICS DOI: /PHOTO Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu

33 ature 499 (2013) ; doi: /nature Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 33

34 Yeni Tür Boşluk İletim Materyali η: 10.2% Chung et al. ature 485, (2012) doi: /nature11067

35 Plastik Güneş Hücreleri 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 35

36 Polimer Güneş Hücreleri Çift Katmanlı Heteroeklem Hacimsel Heteroeklem Alüminyum - + Alüminyum - + PEDOT-PSS ITO Plastik veya Cam P EDOT-PSS ITO Plastik veya Cam Işık Konjüge Polimer PCBM (C 60 ) Işık PCBM (C 60 ) Konjüge Polimer.S. Sariciftci, L. Smilowitz, A.J. Heeger, F. Wudl, Science 258, 1474 (1992) C.J. Brabec, G. Zerza, G. Cerullo, S. De- Silvestri, 6. Güneş S. Luzatti, Enerjisi J.C. Sistemleri Hummelen, Sempozyumu.S. Sariciftci, Chem. Phys. Lett. 340, 232 (2001) 36

37 Konjuge Polimerler: Ardışık karbon atomlarının, polimer ana zinciri boyunca aralarındaki tek (σ) ve çift bağlarını (π) sürekli değiştirmesiyle oluşan, π-konjuge sistemine sahip olmalarıdır. n

38 G. Li et al.,ature Mater. 2005, 4, Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 38

39 P3HT-:PCBM Temelli Güneş Hücresi: P3HT-PCBM donör akseptor karışımı, iyi sonuçlar vermesine rağmen, verim %5`i geçememektedir. Enerji farkı çok fazla

40 Donör-Akseptör Tipi Konjuge Polimerler Donör ve akseptör karakterli iki birimin birleştirilmesi ile elde edilirler Homopolimerlere göre daha düşük bant aralığına sahiptirler Donör OR S R 3 S Akseptör Y S S R 3 Bu sayede güneş spektrumunu daha fazla kapsarlar n S OR 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 40

41 Verim: %6.7 High-efficiency inverted solar cells based on a low ban-dgap polymer with excellent air stability Solar Energy Materials and Solar Cells Volume Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 41

42 η: 6.02% η: 8,95% Aung Ko Ko Kyaw; Dong Hwan Wang; David Wynands; Jie Zhang; Thuc-Quyen guyen; Guillermo C. Bazan; Alan J. Heeger; ano Lett. 2013, 13, Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 42

43 Zayıf Donör-Kuvvetli Akseptör Konjuge Polimerler S Se ( S S ) n ( S S ) n F8-TBT F8-TBSeT η: %3.52 S Se ( S S η: %3.76 ( S ) n 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu SF12-TBT SF12-TBSeT 43 S )

44 Moleküler (Tang) Güneş Hücreleri Transport, absorpsiyon ve yük ayrışımının tek yapıda optimizasyonu J. Xue, et al., Adv. Mater. (Jan., 2005) C. W. Tang Appl.Phys. Lett. 48(1986) Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 44

45 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 45

46 E.Ü. Güneş Enerjisi Enstitüsü

47 Şekil: Esnek Tabanlı OPV Rulodan Ruloya Üretim Makinası (Konarka,2010) E.Ü. Güneş Enerjisi Enstitüsü

48 G24 Innovation DyeSol 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 48

49 Ege Üniv. Güneş Enerjisi Enst. 2006, Modül: 30cmx60cm, Verim: 3.5% SCHOTT Solar GmbH & Fraunhofer ISE 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 49

50 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 50

51 51

52 52

53 TEŞEKKÜRLER.. Prof.Dr. E.Sıddık İÇLİ Doç.Dr. Kasım OCAKOĞLU Doç.Dr. Sermet KOYUCU Yrd. Doç. Dr. Mustafa CA T.C. Kalkınma Bakanlığı TÜBİTAK Ege Üniversitesi BAP TMMOB MMO Mersin Şubesi Arş. Gör. Dr. Burak GÜLTEKİ Arş. Gör. Dr. Hakan BİLGİLİ Cihan ÖZSOY Deniz AYKUT Kadir DEMİRAK 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 53

54 EKLER 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 54

55 a) b) Şekil: PV hücre yapısı: FTO/ TiO 2 (10+4) /KO-20 / 0.6M PMII+0.1M I M TBP +MeC / Pt/ FTO 55

56 Şekil: İyonik Sıvı imidazolyum tuzları. Ceylan Zafer, Kasim Ocakoglu, Cihan Ozsoy, Siddik Icli Dicationic bis-imidazolium molten salts for efficient dye sensitized solar cells: Synthesis and photovoltaic properties Electrochimica Acta Volume 54, Issue

57 Fig. I V curves of DSSCs under (a) 100mW/cm 2 light intensity and AM1.5 global irradiation (b) dark. Table 1. Photovoltaic perphormance parameters of FTO/TiO 2 (10+4)/Z-907/ I - /I 3 - /Pt/FTO system under AM1,5 conditions (100 mwcm- 2 ) BMII K34 K35 K36 TEGDII V oc [V] 0,65 0,64 0,63 0,65 0,64 I sc [ma/cm 2 ] 18,58 17,11 15,87 15,89 15,94 V mpp [V] 0,40 0,39 0,37 0,40 0,38 I mpp [ma/cm 2 ] 14,10 14,37 12,05 12,91 12,25 MPP [mw] 5,64 5,60 4,45 5,16 4,65 FF 0,47 0,51 0,44 0,50 0,45 η [%] 5,64 5,60 4,45 5,16 4,65 Ceylan Zafer, Kasim Ocakoglu, Cihan Ozsoy, Siddik Icli Dicationic bis-imidazolium molten salts for efficient dye sensitized solar cells: Synthesis and photovoltaic properties Electrochimica Acta Volume 54, Issue