Yeni esil Organik Fotovoltaik Teknolojiler Doç.Dr.Dr. Ceylan ZAFER Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü, ceylan.zafer@ege.edu.tr 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu
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
6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 3
GÜEŞ IŞIIMI SPEKTRUMU 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 4
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
Fotovoltaik Hücre Verimleri (Laboratuvar) 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 6
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
Duyarlaştırma: Fotosentez 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 8
Boya Duyarlaştırıcılı Güneş Hücreleri (DSSC) Cam TCO Platin Elektrolit Boya TiO 2 TCO Cam 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 9
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
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
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
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
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
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
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
%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) 629-634, DOI: 10.1126/science.1209688 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 17
Organik Duyarlaştırıcıların Blok Modeli Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 16, Issue 8 2012 5848-5860 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 18
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
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 9,81 640 0,63 3,95 8,41 470 3,95 BG-2 8,44 570 0,57 2.73 7,18 380 2,73 Z907 12,49 580 0,66 4,81 11,19 430 4,81 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu C. Zafer et al. Journal of Physical Chemistry C, 114 (2010) 19840-19848 20
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) (%) BG501 7.46 560 0.60 2.49 6.56 380 2.49 BG502 8.40 660 0.57 3.18 7.23 440 3.18 Z907 15.29 600 0.46 4.20 11.66 360 4.20 a Performances of DSSCs were measured with 1 cm 2 working area. C. Zafer et al. Solar Energy Materias and Solar Cells, 94 (2010) 655-661 21 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu
Current Density (ma/cm 2 ) H 13 C 6 O Quinoxaline Boyaları Acceptor H 13 C 6 O S HO O -15-10 -5 MK148 MK150 Z907 0 Donor H 9 C 4 O OC 4 H 9 KD-150 5 10 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 4,92 520 0,60 1,54 4,16 370 1,54 KD-150 7,37 560 0,56 2,32 6,28 370 2,32 Z907 14.51 630 0,45 4,08 11,34 360 4,08 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 22
6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 23
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
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
TiO 2 Film Kaplama DSSC Üretimi DSSC Modülü Sinterleme TiO 2 in duyarlaştırılması ve elektrolit dolumu 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 26
Kararlılık Testleri Standart: IEC-61646 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 27
Katı Hal Boya Duyarlaştırıcılı Güneş Hücreleri (SS-DSSC) 28 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu
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
SS-DSSCs için Organik Sensörler 30 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu J. Phys. Chem. C 2012, 116, 1572 1578
SS-DSSCs için Organik Sensörler 31 J. Phys. Chem. C 2012, 116, 1572 1578 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu
Perovskite temelli SS-DSSC ler Gratzel et al. ATURE PHOTOICS DOI: 10.1038/PHOTO.2013.80 32 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu
ature 499 (2013) 316-320; doi:10.1038/nature12340 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 33
Yeni Tür Boşluk İletim Materyali η: 10.2% Chung et al. ature 485, 486-489 (2012) doi:10.1038/nature11067
Plastik Güneş Hücreleri 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 35
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
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
G. Li et al.,ature Mater. 2005, 4, 864. 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 38
P3HT-:PCBM Temelli Güneş Hücresi: P3HT-PCBM donör akseptor karışımı, iyi sonuçlar vermesine rağmen, verim %5`i geçememektedir. Enerji farkı çok fazla
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
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 96 2012 155-159 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 41
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, 3796-3801. 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 42
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 )
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)183 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 44
6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 45
E.Ü. Güneş Enerjisi Enstitüsü 46 10.12.2013
Şekil: Esnek Tabanlı OPV Rulodan Ruloya Üretim Makinası (Konarka,2010) E.Ü. Güneş Enerjisi Enstitüsü 47 10.12.2013
G24 Innovation DyeSol 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 48
Ege Üniv. Güneş Enerjisi Enst. 2006, Modül: 30cmx60cm, Verim: 3.5% SCHOTT Solar GmbH & Fraunhofer ISE 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 49
6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 50
51
52
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
EKLER 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu 54
a) b) Şekil: PV hücre yapısı: FTO/ TiO 2 (10+4) /KO-20 / 0.6M PMII+0.1M I 2 +0.5M TBP +MeC / Pt/ FTO 55
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 24 2009 5709-5714 56
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 24 2009 5709-5714 57