MEYVE SUYUNDAN ELEKTRİK ÜRETİMİ

Transkript

1 ÖZEL EGE LİSESİ MEYVE SUYUNDAN ELEKTRİK ÜRETİMİ HAZIRLAYAN ÖĞRENCİLER: S. Deniz KINAY İ.Can DEMİRCİ DANIŞMAN ÖĞRETMENLER: A.Ruhşah ERDUYGUN Fatma AKKUŞ 2007 İZMİR

2 1. GİRİŞ Dünya üzerinde kullanılan enerji kaynaklarında en büyük payı alan fosil yakıtların, küresel ısınmaya neden olan CO 2 salınımına büyük etkisi olduğu açıktır. Sonuçların bize yansıması, son günlerde yaşadığımız iklim değişikliği, dolaylı olarak suyumuzun azalması ve yaşam kalitemizin düşmesi olacaktır. Ayrıca çevre kirliliği yanında fosil yakıtlarının yüz yıllık bir süre içinde tükeneceği de bilinmektedir. Gelecekte yenilenebilir, temiz enerji kullanmamız gerektiğinden, yenilenebilir enerji kaynakları üzerindeki araştırmalar yoğunlaşmıştır. Ülkemiz için güneş enerjisi verimi yüksek bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Bu konuda yapılan çalışmaları incelediğimizde, ülkemiz coğrafi konumundan dolayı çok fazla güneş aldığı halde, güneş enerjisine yeteri kadar önem verilmediğini gördük. Sonunda güneş pili şeklinde de anılmakta olan fotovoltaik sistemler üzerine çalışmaya karar verdik. Güneş pilleri yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken temelli maddelerdir. Güneş pilleri konusundaki uygulamalar 1970 li yıllarda inorganik yarıiletken malzemelerin kullanımıyla yaygınlaşmıştır. Dünyada güneş pillerinin büyük bir kısmını geniş alanlı bir yarı iletken p-n diyotu olan inorganik güneş pilleri oluşturmaktadır. İnorganik güneş pilleri evlerde bireysel kullanıcılara yönelik olarak şebekeye bağlı veya şebekeden bağımsız olarak kullanılabildiği gibi güneş pili santrallerinde de kullanılmaktadır. İnorganik güneş pillerinin kullanımı yıllara göre artmasına rağmen üretim ve ham madde maliyetleri oldukça yüksek olduğu için bu artış istenilen ivmeyi kazanamamıştır. Bu maliyet dezavantajını azaltabilmek için, güneş pillerinin yapısında kullanılan maliyeti yüksek inorganik maddeler yerine, daha ucuz olan organik madde kullanımına doğru bir yöneliş vardır. Dolayısıyla da çalışmalar organik güneş pili sistemlerinin üzerinde yoğunlaşmıştır. Boyar madde kullanılarak oluşturulan organik güneş pilleri yeni kullanılmakta olan bir teknolojidir. Organik güneş pillerin çalışma prensibi ise temel olarak elektron alan ve veren organik maddelere (boyalara) dayanır te bugünkü inorganik güneş pilleri %6 verimle Chapin tarafından üretilmiştir. Şu anda literatürdeki en yüksek verim %24 tür. Organik güneş pilleri ise ilk kez Gratzel ve arkadaşları tarafından 1991 te yapılmış ve %10 verim rapor edilmiştir.bu pillerde verim şu anda 0,25 cm 2 lik aktif alanda %11 dolaylarındadır yılından bu yana inorganik güneş pillerinde görülen verim artışı, devam eden çalışmalarla organik güneş pillerinde de ilerleyen yıllarda elde edilecektir. Bu yüzden çalışmalarımıza fotovoltaik sistem olarak gelişmekte olan organik güneş pili konusunda yön verdik. Ayrıca organik güneş pili yapımı aşamasında nanoteknoloji ile de tanışacak olmamız, pilin fotosenteze benzer bir işlemle çalışıyor olması araştırmaya merakla başlamamızı sağlamıştır. Yukarıda yazdığımız tüm bilgi ve uygulanabilirlik ölçüleri ile birlikte, Organik güneş pillerinin gelecekte temiz,yenilenebilir, ülkemizin geleceği için tercih edilen bir enerji kaynağı olacağını düşünüyor olmamız bizim bu projeye yönelmemizi sağlamıştır. 2. AMAÇ Bu projede amacımız, organik güneş pillerinin yapısını ve çalışma prensibini araştırarak, doğal nar, ticari nar, doğal karadut ve ticari karadut meyve sularından yapılan organik güneş pillerinden elektrik elde etmek, pillerin fotovoltaik özelliklerini ve verimliliklerini ticari Z907 boyasıyla karşılaştırmaktır. 1

3 3. GENEL BİLGİLER 3.1.GÜNEŞ PİLLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ Fotovoltaik olay ilk olarak 1839 da Becquerél tarafından gözlenmiştir. Becquerél, elektrolit çözeltisi içerisine batırılmış gümüş çubuklar üzerine ışık düşmesiyle akım oluşumunu gözlemlemiş ve bunu rapor etmiştir. Fotovaltaik olay daha detaylı olarak 1877 de Adams ve Day tarafından, selenyum elektrodu ışığa tutarak akım üreten voltaj gözlemlenmiştir. Fotovoltaik teknolojler yarıiletken malzemelerin kullanılmasıyla gelişmiştir. Çok önceleri fotovoltaik piller metal/yarıiletken ara yüzeyinden meydana gelmekteydiler. Bu hücrelerin verimleri çok düşüktü. Sonraları, yarıiletken/yarıiletken ara yüzeylerinin daha iyi verim verdiği gözlendi. P-n eklemine sahip bu piller ilk olarak 1941 de Ohl tarafından silika kullanılarak rapor edildi te bugünkü silisyum güneş pillerinin müjdecisi pil Chapin tarafından üretildi. Bu pilden %6 verim elde edilmiş ve o dönemde oldukça büyük ilgi uyandırmıştır. Güneş pilleri o dönemde, hemen uzay araçlarında kullanım alanı bulmuştur.uzay çalışmalarında kullanımı güneş pili teknolojisinin çok hızlı gelişmesini sağlamıştır. Henüz daha 1960 ların başlarında verimleri %15 i bulmuştur. Şu anda ise, inorganik yarıiletken tabanlı güneş pillerinde dünya rekoru %24 tür FOTOVOLTAİK TEKNOLOJİLER Tek Kristal ve Çok Yapılı Kristal Silisyum Güneş Pilleri Silisyumun neden fotovoltaik(pv) sektöründe ana unsur olduğu sorusunun cevabı, yüksek kalitede Si yarıiletken endüstrisi tarafından büyük miktarlarda üretilmekteydi. Kristal Si göze üretimi teknolojisidir ve aynı oranda pahalı bir teknolojidir. Si göze üretiminin maliyeti, modül üretiminin %50 sine eşdeğerdir. Panellerin dönüşüm verimi %2-4 iken kristalli panellerin %8-15 arasındadır. Panellerin dönüşüm veriminin yüksekliği daha fazla elektrik üretimi anlamına gelmektedir. Panellerin ömrü 30 yıl kadardır. Resim 1. Power Solar PV paneli Resim 2. İnce film güneş pili İnce Film Güneş Piller Birincil nesil güneş pili teknolojisi deyimi genellikle kristal silisyum güneş pilleri için kullanılmaktadır. İkincil nesil güneş pilleri denildiğinde ise, amorf silisyum (a-si), Kadmiyum Tellür (CdTe) ve ince film kristal silisyum gibi ince film güneş pilleri ifade edilmektedir. İnce film güneş pillerinin üretimine başlanmasındaki en büyük sebep, daha düşük üretim maliyetleriydi. Silisyum güneş pili panelleri 100 cm 2 alana sahip bağımsız güneş 2

4 gözelerinden meydana gelirken, ince film güneş pilleri ise çok daha yüksek soğurma katsayısına sahiptirler. Bu nedenle de 1 µm kalınlığındaki bir yarıiletken filmi yeterli olmaktadır. Silisyum güneş pillerinde ise bunun kat daha kalın bir filme ihtiyaç vardır. Bu açıdan, pahalı yarıiletken malzeme kullanımı azaltılmış olmaktadır Yarıiletkenler Güneşten elektrik üretmek için yarıiletken malzemelerin özelliğinden yararlanılmaktadır. İletken malzemelerin yapısında iletkenlik bandı ve değerlik bandı (enerji düzeyleri) içiçe geçmiş veya bitişik durumdadır. Yalıtkan malzemelerde iki bant arasında elektronların atlayamayacağı bir boşluk vardır. Yarıiletkenlerde ise enerji düzeyleri arasında yalıtkanlara göre daha az boşluk bulunur. Bu da ısı,ışık ve kirletme (doplama) etkisi ile elektronların iletken bandına geçmesini sağlamaktadır. Güneşten gelen ışınımın enerjisi, foton dediğimiz kümelerden oluşmaktadır. Foton miktarında enerji, inorganik yarı iletkenlerde, p-n eklemi ile, birinci yarı iletken tabakasında, değerlik bandındaki elektronları uyararak iletkenlik bandına geçirir. İkinci bir yarıiletken tabakasıyla oluşturulan gerilim farkı yardımıyla uyarılan elektronlar hareketlendirilmektedir. İki yarı iletken tabakanın dışına birer kablo bağlayıp elektronların geçişine izin verildiğinde, bu gerilimden elektrik üretilebilir. Organik yarıiletkenlerin çalışma sistemi, inorganik yarıiletkenlerin çalışma sisteminden fiziksel işleyişleri bakımından oldukça farklıdır. Organik yarıiletkenlerde p-n eklemi yerine iki farklı iletken arasındaki ara yüzeyde oluşan enerji seviyeleri farkı yük transferini, elektron akışını sağlamaktadır Foto-elektrokimyasal Güneş Pilleri Silisyum güneş pillerinin, geri yük transferini önlemek amacıyla çok saf malzemeden üretilmeleri gerekmektedir. Bu nedenle de maliyetler yükselmektedir. Bu tür güneş pillerinin geniş uygulama alanı bulamaması maliyetlerinin çok yüksek olması sebebiyledir. Bu sebeple acil olarak daha ucuz malzemelerden kolay yolla üretilebilecek fotovoltaik sistemlere ve malzemelere ihtiyaç vardır. Bu tür güneş pillerine kuvvetli adaylardan biri de Grätzel pili denilen foto-elektrokimyasal güneş pilleridir da Becquerel in fotovoltaik etkiyi keşfettiği deneyde kullandığı sistem aslında en eski fotovoltaik pil olan foto-elektrokimyasal güneş pilidir. Foto-elektrokimyasal güneş pilinde fotoaktif tabaka olarak yarıiletken-elektrolit eklemi kullanılmaktadır. Bu tür eklemlerle ilgili ilk raporlar 1960 ların sonlarında yayınlanmıştır. Maalesef uygun bant aralığına sahip yarıiletkenlerin kararlı olmadığı ve korozyona uğradığı gözlenmiştir. Bu sebepten dolayı bu tür güneş pilleri ile ilgili çalışmalar geniş bant aralığına sahip yarıiletkenler ile sınırı kalmıştır. Ancak, 1991 yılında İsviçre Federal Teknoloji Enstütüsünden Prof.Dr. Michael Grätzel, nanokristal yapılı TiO 2 filmini rutenyum bipiridil kompleksi boyalar ile duyarlaştırarak oluşturduğu foto-elektrokimyasal pil sistemi ile %10 verim elde etmiştir Organik Güneş Pilleri Bilim ve teknolojinin gelişmesine paralel olarak organik elektronik malzemelerin en önemli uygulamalarından biri olan organik güneş pilleri transparan olması, geniş yüzeylere kaplanabilmesi, düşük maliyetli olması ve kolay üretilebilesi ile ilerleyen yıllarda yaygın olarak kullanılacaktır. 3

5 Bu teknolojinin temeli elektron alıcı ve elektron verici moleküller arasında meydana gelen etkin elektron transferinin gözlenmesiyle başlamış ve günümüzde bu konudaki araştırmalar devam etmektedir. Organik malzemeler ile güneş pili verimlerinde başarılı sonuçların elde edilmiştir. Resim 3. Organik güneş pili Resim 4. Organik güneş pili ile kaplanmış pencere 3.3.ORGANİK GÜNEŞ PİLLERİNİN YAPISI Organik güneş pillerinde klorofil gibi çalışan boya kullanılır. Boya sensörlü güneş pili, iletken cam yüzeyine kaplanmış nanokristal yapının(genelde TiO 2 ) organik boya ile ışığa duyarlılığın sağlanması ile oluşturulan yarıiletken film(çalışma elektrodu, platin kaplı iletken cam ve sayıcı elektrot) ve çalışma elektrodu ile sayıcı elektrodu birbirine bağlayan ve TiO 2 tabakasının gözeneklerini dolduran boşluk iletken malzemeden meydana gelmektedir. Sıvı elektrolitli pillerde boşluk iletken malzeme iyot/iyodür çözeltisidir. Işık İletken cam Pt katalizör kaplama Boya absorblanmış nano-kristal TiO 2 İletken cam Boya molekülleri elektrolit + - I - I 3 Işık e - e - - Elektrolit e - e - nc-tio 2 20 nm Şekil 1. Organik güneş pili yapısı 4

6 3.4. ORGANİK GÜNEŞ PİLİNİN ÇALIŞMA PRENSİBİ Organik güneş pili içerisinde meydana gelen elektron transfer süreci şekil-2 de gösterilmiştir. Organik boya esaslı güneş pilini meydana getiren indirgenme(lumo) ve yükseltgenme (HOMO) enerji seviyeleri, elektron göçünün istenilen yönde ve istemli olarak gerçekleşmesine uygun olacak şekilde seçilmektedir. Pil, ışığın kristal titanyum oksit üzerine absorblanmış olan boya molekülleri tarafından soğurulması ile çalışmaya başlamaktadır.(1) Uyarılan boya molekülü bir elektronunu titanyum dioksidin iletkenlik bandına enjekte etmektedir.(2)enjekte edilen elektronlar,tio 2 filmindeki nanokristal yapılı ağ boyunca ilerleyerek saydam elektroda ulaşmakta, buradan da dış devreye geçmektedir. Bir elektronun TiO 2 in iletkenlik bandına aktarmasıyla oluşan boya katyonları redoks çifti içeren elektrolit tarafından nötr hale indirgenmektedir.(3) Yükseltgenen elektrolit ise dış devre üzerinden platinle kaplanmış sayıcı elektroda gelen elektron tarafından indirgenmektedir.(4) Bu şekilde organik güneş pili çalışması sırasında net yük her zaman sıfırdır ve kimyasal olarak bir değişme meydana gelmemektedir. Bu olay fotosenteze benzeyen bir işlemdir. ANOT: Boya + Foton Boya * (Absorbsiyon) (1) Boya * Boya + + e - (TiO 2 ) (Elektron enjeksiyonu) (2) Boya + + I - Boya + I 3 (Rejenerasyon) (3) KATOT: I 3 + e - (Pt) I - (4) OGP: e - (Pt) + Foton e - (TiO 2 ) Işık İletken cam elektrot LUMO Boya Elektrolit Pt kaplı sayıcı elektrot TiO 2 HOMO Şekil 2. Organik güneş pilinin çalışma diagramı 5

7 4. MATERYAL ve YÖNTEM 4.1.KULLANILAN MALZEME VE CIHAZLAR Çalışmamızda organik güneş pili yaparken aşağıdaki malzeme ve cihazlar kullanıldı. 1. Cam malzemeler: 500 ml beher, cam baget, spatül, cam balon, mikroskop camı,1mm kalınlığında %85 geçirgenliği olan ITO (indiyum katkılı kalay oksit kaplı cam) 2. Kimyasal malzemeler: Titanyum isopropoksit, asetik asit, saf su, nitrik asit, PEG(poli etilen glikol)20000, platinik asit çözeltisi, iyotun alkol çözeltisi 3. Organik boyalar: Ticari nar, ticari karadut, doğal nar, doğal karadut suyu, Z907 (standart rutenyum kompleksi) 4. Cihazlar: Karıştırıcılı ısıtıcı, etüv, otoklav, yüksek fırın, ultrasonik aglomer kırıcı, rotary evaporatör, ısı tabancası, ultrasonik lehim cihazı, Keithley güç kaynağı AM 1.5 solar simulatör 4.2. ORGANİK GÜNEŞ PİLİ YAPIMI Su bazlı TiO 2 pastanın hazırlanması 6 gr asetik asit 500mL lik bir behere alındı ve karıştırıcılı ısıtıcı üzerine konuldu. Üzerine 30 gr titanium isopropoksit katılıp bu çözelti, buz banyosunda 150 ml suya eklendi. Daha sonra peptizleme işlemine geçildi. Bu işlem ile ortamın proton yoğunluğunu artırılarak taneciklerin elektriksel olarak yüklenip coulomb kuvveti ile birbirlerinden uzaklaşmaları sağlanmıştır. Çökelmeyi önlemek için 4 ml nitrik asit eklendi. 70 C lik Etüv de 1 saat 15 dakika bekletildi ve böylece jelimsi bir yapı oluştu. Çözeltinin taşıyamadığı (çöken) partiküller alınabildiği kadar alındı. 175 ml ye su ile tamamlandı. Sonra çözelti hidrotermal büyütme için 400 ml lik içi teflon kaplı çelik otoklav içerisine konuldu ve 12 saat boyunca 220 C de fırınlandı. Bu işlem sırasında küçük kristal taneleri yüksek basınç ve sıcaklık altında çözünüp büyük kristal taneleri üzerinde tekrar kristallenerek daha büyük taneleri oluşturmuştur. Otoklavdan çıkan çözeltiye 1 ml daha nitrik asit eklendi ve karıştırıldı. Ultrasonik aglomer kırıcıda 20 dakika boyunca ses dalgalarıyla homojen hale getirildi. Çözelti rotary evaporatörde 30 mbar basınç ve 45 C sıcaklık altında %13 TiO 2 içerecek şekilde deriştirildi. Sonra behere alınıp film kalitesini arttırmak için 3 gr (%6,5 oranında) PEG20000 eklendi. Bir gece boyunca düşük hızda karışması için karıştırıcılı ısıtıcı üzerinde bırakıldı. Böylece su bazlı TiO 2 pasta kullanıma hazır hale geldi. (Bk s.12-13) TiO 2 ince filmin ve karşıt elektrotun hazırlanması Boyutları 2,5 x 6 cm, kalınlığı 1mm ve %85 geçirgenliği olan ITO (indiyum katkılı kalay oksit kaplı cam) yarıiletken bir cam alındı ve bantlarla aralarında 1 cm 2 lik alan oluşturacak şekilde yere sabitlendi. Su bazlı TiO 2 spatül ile ITO üzerine alındı ve cam baget yardımıyla sıyırma yöntemi ile kaplandı. Önce oda koşullarında kurumaya bırakıldı. Hafif kuruduktan sonra da 450 C lik fırında 30 dakika sinterlendi. Sinterleme aşamasındaki amaç, TiO2 partiküllerinin kristal dizinime geçmesini ve organik kirletici (örn. PEG) lerin ortamdan uzaklaşmasını sağlamaktır. Böylece gözenekli, saydam TiO2 kaplama oluşur. Cam slayt fırının içinde soğuduktan sonra elmasla çizilip 5 eşit parçaya bölünerek boyalarımızın ticari nar, ticari karadut, doğal nar, doğal karadut meyve sularının ve Z907 çözeltisinin içine bırakıldı. Ağzı kapalı bir şekilde bir gün bekletildi. Ertesi gün dört cam da meyve sularını absorblamıştı. Cam slaytlardaki TiO 2 boya bölümü 1 cm 2 lik alan oluşturacak şekilde, kenarındaki fazla kısımlar ince mikroskop lameli ile kazındı. Karşıt elektrodu hazırlamak için boyutları 2,5 x 6 cm olan bir cam alındı ve 5 eşit parçaya bölündü. Camların ortalarına yakın yerlerde elektrolit (iyot-iyodür) enjekte etmek için elmas matkap ucu ile delik açıldı. Camlar platinik asit çözeltisi ile yıkandı ve termal indirgeme yöntemi ile +2 değerlikten 0 a indirgendi. 500 C de yarım saat ısıtıldı. Böylece karşıt (sayıcı) 6

8 elektrot platin(pt) ile kaplanmış oldu. Elektrotun kaplama maddesi platin katalizör etkisi yaparak iyot-iyodür dönüşümünü ile gerçekleşen elektron transferini hızlandırmaktadır. (Bk s.14) Pil üretimi İki yarıiletken camın(elektrotun) iletken yüzeyleri birbirine bakacak şekilde sandviç gibi bir araya getirilerek arasına termoplastik malzeme kondu ve karıştırıcılı ıstıcı üzerinde ~110 C de saniye hafif bastırılarak yapıştırıldı. Elektrotların karıştırıcılı ısıtıcı üzerinde 15 saniyeden fazla tutulmamasına dikkat edildi. Çünkü yüksek sıcaklık TiO 2 üzerine absorblanmış boya deforme olmasına ve bu da verimin düşmesine neden olmaktadır. Termoplastik malzeme 100 C nin üzerinde erimeye başlar ve iki cam birbirine iyice yapışır. Arada elektrolit için 25 µm genişliğinde boşluk kaldı. Elektrolit (iyot-iyodür) vakum altında önceden açtığımız delikten enjekte edildi. Delik yine bir parça termoplastik malzeme kullanılarak mikroskop camı ile kapatıldı. Ölçüm yapılırken elektrotların daha iyi kontak alması için iletken yüzeye gümüş pasta sürülerek ultrasonik lehim cihazıyla lehim yapıldı. Oluşan güneş pillerinin akım-voltaj eğrileri solar simulatörde (AM 1.5, 100MW/cm 2 ) altında, Keithley güç kaynağı ve bununla uyumlu çalışan Labview bilgisayar programı kullanılarak alındı. (Bk s.16) Resim 5. Doğal nar güneş pili Resim 6. Ticari nar güneş pili Resim 7. Doğal karadut güneş pili Resim 8. Ticari karadut güneş pili 7

9 Cam substratın hazırlanması TiO 2 pastanın kaplanması Pt katalizörün kaplanması TiO 2 elektrodun sinterlenmesi Katalizörün ısı ile aktive edilmesi Boyanın TiO 2 üzerinde absorblanması İki elektrodun sandviç halinde bir araya getirilerek yalıtılması Elektrolit enjeksiyonu Son yalıtım ve pilin tamamlanması OGP Hücresi Her bir pil hücrenin seri olarak bağlanarak OGP Panel Şema 1. OGP yapımı akış şeması 4.3. FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİN İNCELENMESİ Işığın altındaki güneş pili, elektriksel bir devre olarak değerlendirilmektedir. Çalışmamızda akım-voltaj karakteristiği aşağıda belirtilen değişkenlerle açıklanmıştır. Kısa Devre Akımı : Pil üzerine uygulanan gerilim V a =0 V iken ölçülen akım, kısa devre akımıdır(i sc ).soğurulan fotonlardan kaynaklanan akım olan I aydınlık aydınlık akımına eşittir. I sc = I aydınlık Kısa devre akımı, ışınım bir fonksiyonudur. Açık Devre Gerilimi: Devre üzerinden hiç akım geçmiyor iken (I=0), V a = V oc I aydınlık,v oc ışınım şiddetine bağlıdır. Maksimum Güç Noktası (MPP) : Güneş piline V a gerilimi uygulanırken elde edilen güç, uygulanan potansiyelde oluşan akım ile potansiyelin (V a ) çarpımı olarak tanımlanmaktadır. Elde edilen gücün en yüksek olduğu noktaya Maksimum Güç Noktası (MPP) denir ve bu noktadaki akım ve gerilime de güneş pilinin maksimum akım (I mpp ) ve maksimum gerilimi (V mpp ) olarak ifade edilir. P=V a. I MPP= V mp. I mpp [mw] [mw] 8

10 Dolum Faktörü (FF) : Dolum faktörü, pilin bir güç kaynağı olarak kalitesinin bir ölçüsüdür ve maksimum gücün, açık devre gerilimi ile kısa devre akımı çarpımına oranıdır. FF= Vmpp. Impp Voc. Isc = Vmpp. Impp Voc. Isc Güneş pilinin iyi olarak nitelendirilmesi için, dolum faktörünün (FF)=0,75-0,8 aralığında olması gerekmektedir. Verim (η) : Pilin verimi, η, güneş pilinin performansının ifadesidir ve elde edilen maksimum gücün (MPP), güneş pili yüzeyine gelen ışık şiddetine (P s ) oranıdır. η= MPP Isc. Voc. FF = Ps Ps 4.SONUÇ-TARTIŞMA Bu çalışmada; OGP (organik güneş pili) yapımında boyar madde olarak doğal nar, ticari nar, doğal karadut ve ticari karadut meyve suları, ayrıca karşılaştırmak amacıyla Z907 kullanıldı. Elde edilen sonuçlar aşağıdaki tabloda verilmiştir. Boyasız TiO 2 Ticari nar Nar Ticari karadut Karadut Z907 I sc 0,54 0,20 3,48 2,53 4,86 10,60 [ma/ cm 2 ] V oc [mv] 330,00 320,00 330,00 340,00 320,00 600,00 FF 0,49 0,34 0,41 0,49 0,42 0,35 M Power output 0,08 0,02 0,47 0,42 0,66 2,24 [mw/cm 2 ] V mp [mv] 240,00 180,00 190,00 220,00 190,00 300,00 I mp 0,37 0,12 2,48 1,92 3,50 7,49 [ma/ cm 2 ] Verim [%] 0,08 0,02 0,47 0,42 0,66 2,24 Tablo 1. Deney ölçüm sonuçları 9

11 Meyve sularıyla üretilen OGP lerin grafikleri : Akım Yoğunluğu (ma/cm 2 ) Karadut Aydınlık Karadut karanlık Akım Yoğunluğu (ma/cm 2 ) Nar aydınlık Nar karanlık -6 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Voltaj (V) -4 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Voltaj (V) Grafik 1. Doğal karadut suyu I-V grafiği Grafik 2. Doğal nar suyu I-Vgrafiği Akım Yoğunluğu (ma/cm 2 ) Ticari karadut aydınlık Ticari karadut karanlık Akım Yoğunluğu (ma/cm 2 ) 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2 Ticari Nar Aydınlık Ticari Nar Karanlık -4 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Voltaj (V) -0,4 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Voltaj (V) Grafik 3. Ticari karadut suyu I-V grafiği Grafik 4. Ticari nar suyu I-V grafiği Meyve sularıyla üretilen OGP lerin akım-voltaj eğrileri incelendiğinde en yüksek verim doğal karadut suyundan yapılan OGP de %0,66, ikinci olarak yine doğal nar suyundan yapılan OGP de %0,47, üçüncü olarak ticari karadut suyundan yapılan OGP de %0,42 ve son olarak ticari nar suyundan yapılan OGP de %0,02 olarak tespit edilmiştir. Boyalar Doğal Doğal nar Ticari Ticari nar Z907 karadut karadut Verim (%) 0,66 0,47 0,42 0,02 2,24 Tablo 2. Kullanılan boyaların verim yüzdeleri 10

12 Grafik 5. Meyve suları ve Z907 I-V grafiği Doğal ve ticari meyve sularının akım-voltaj grafiklerine bakıldığında hepsinin diyot karakteristiği gösterdiği saptanmıştır. Grafikte de görüldüğü gibi doğal nar ve karadut sularından yapılan OGP lerin verimleri ticarilerine göre daha fazladır. Bunu ticari meyve sularının derişimlerinin daha az olması ve uzun süre su içinde bulunmasından dolayı suyla reaksiyona girip değişmesi ve bunun sonucu olarak TiO 2 filme daha az absorblanması ya da TiO2 ye elektron enjekte etmek yerine parçalanma ürünleri arasında elektron transferinin başlama olasılıklarıyla açıklayabiliriz. Bu durum en açık şekilde ticari narda görülmektedir. Ticari nar ile elde edilen verim boya içermeyen sadece TiO 2 ile yapılan pilden daha düşüktür. Hatta ticari meyve sularıyla elde edilen karanlık-aydınlık akım-voltaj eğrileri karşılaştırıldığında, elektron aktarım yönünün ters döndüğü varsayımı bile yapılabilir. Z907 nin literatürde opak TiO 2 kullanılarak rapor edilmiş verimi, 0,2 cm 2 aktif alan üzerinden %11 dir. Bizim çalışmamızda ise verim su bazlı TiO 2 kullanılarak 1 cm 2 aktif alan üzerinden %2,5 dir. Çalışmamızda kullandığımız aktif alanın büyük olması kısa devre olasılığını arttırmaktadır ve bu da verimi düşürmektedir. Sonuçlara baktığımızda doğal karadut suyu doğrudan fotovoltaik yolla elektrik eldesi için kullanılabilir. Doğal karadut suyu kullanılarak yapılan Organik güneş pillerinin verimi opak TiO 2 kullanarak ve aktif alanı küçülterek %2,5-3 lere çıkartılabilir. Organik güneş pillerinin yapıları gereği, sağlıklı bir elektron akışının sağlanabilmesi için ince olmaları gerekmektedir. Bu özellik aynı zamanda bir avantajdır. Burada söz ettiğimiz kalınlık cam substrat hariç 20 nm düzeyindedir. Bu sayede söz konusu organik güneş pilleri çok ince ve kullanılan iletken altlığın, ieltken polimer olması durumunda esneme özellikleri de yüksek olduğu için pencere camlarında, araç camlarında, araç kaportalarında ve bilgisayarların dış yüzeyi kaplanarak kullanılabilir. 11

13 MEYVE SUYU ORGANİK GÜNEŞ PİLİ YAPIMI ÇALIŞMA BASAMAKLARI asetik asit titanyum isopropoksit ekleme buz banyosunda saf su nitrik asit ekleme etüv etüvden çıktıktan sonra otoklav(açık) otoklavda çözelti 12

14 otoklav(kapalı) otoklav fırında fırın TiO 2 parçaları aglomer kırıcı rotari evaporatör 13

15 TiO 2 damlatılıyor sıyırma yöntemiyle kaplanıyor ticari nar suyu hücre ticari nar suyunda platinik asit çözeltisi damlatılırken ısı tabancası Platinin ısı tabancasından çıkmış hali camda delik açılması 14

16 termoplastik malzemeyle yapıştırılma ultrasonik lehim cihazı lehimlenmiş hücre vakumda elektrolit enjekte edilirken pilin son hali 15

17 5. KAYNAKÇA [1] İçli S., (2005), Tübitak Bilim- Teknik Dergisi, [2] İçli S.,(2006), Tübitak Bilim- Teknik Dergisi, [3] Varlıklı C., Yarı İletkenlerin Kimyasal Yapısı ve Uygulamaları, Ders Notları [4] Hamle,J., (2002), Dye-sensitized nanostructured and organic photovoltaic cells: technical review and preliminary tests, Helsınkı Unıversıty of Technology [5] Zafer, C., (2006), Organik Boya Esaslı Nanokristal yapılı ince film güneş pili üretimi, Ege Üniversitesi, İzmir [6] [7] [8] [9] 16