PROJE RAPORU KARAMEL BOYA DUYARLI GÜNEŞ PİLİNİN VERİMLİLİĞİNİN İNCELENMESİ İçindekiler 1. GİRİŞ.2 2. YÖNTEM..3 2.1 Boya Duyarlı Güneş Pillerinin Çalışma İlkesi....3 2.2 Karamel Boya Duyarlı Güneş Pili Yapımı......4 2.2.1 Kullanılan Malzemeler......4 2.2.2 Sıvı Elektrolit...4 2.2.3 Karamel Boya.......4 2.2.4 TiO2..5 2.2.5 İletken FTO.....5 2.2.6 Güneş Hücresinin Hazırlanması... 6 2.3 Boya Duyarlı Güneş Pillerinde Verim Hesaplama.....6 3. BULGULAR..8 4. SONUÇ VE TARTIŞMA.......9 5. ÖNERİLER...9 KAYNAKÇA...9
1. GİRİŞ Dünyada üretilen ve tüketilen enerji miktarları her geçen yıl artış göstermektedir. Şekil 1.1 ve 1.2 de 2000 ile 2015 yılları arasındaki dünyadaki enerji üretim ve tüketim değerleri yer almaktadır [1]. Enerji üretim ve tüketim değerlerinin hızla artıyor olması doğal enerji kaynaklarında büyük bir sorun oluşturmaktadır. Yenilenemez enerji kaynaklarının hızla azalıyor olması ise canlıların da yakın bir gelecekte tükeneceği anlamına gelmektedir. Çözüm olarak yenilenebilir enerji kaynaklarının insanların kullanımına daha fazla sunulması ve yenilenemez enerji kaynaklarına olan bağımlılığı da azaltacak planların devreye sokulması ile sağlanabilir. Şekil 1.1 Dünyadaki 2000-2015 yılları arası üretilen enerji miktarı Şekil 1.2 Dünyadaki 2000-2015 yılları arasında tüketilen enerji miktarı 2
Yenilenebilir enerji kaynakları arasında kullanım ve verim açısından günümüzde en uygun olanı güneş enerjisidir. Güneşten enerji elde ederken kullanılmakta olan uygulamalar; düzlemsel güneş kollektörleri, yek-odaklı güneş enerjisi santralleri, vakum tüplü güneş enerjisi sistemleri, güneş ocakları, trombe duvarı ve geçişli hava panelleridir. Tüm bu uygulamaların temelinde ise güneş pilleri yer almaktadır [2]. Son yıllarda yenilenebilir enerji kaynakları çalışmalarında ön plana çıkan güneş pilleri, bilim insanları tarafından her geçen gün enerji ihtiyacımızı karşılayabilmek için geliştirilmeye çalışılan iyi bir aday gibi görülmektedir. Güneş pilleri; silisyum güneş pilleri, ince film güneş pilleri, boya duyarlı güneş pilleri ve organik güneş pilleri olmak üzere birçok farklı çeşide sahiptir. Boya duyarlı güneş pilleri ile ilgili ilk çalışmalar 1990 lı yılların ortalarında başlamıştır. [3]. Yaptığımız araştırmalara göre daha önce boya duyarlı organik güneş pillerinde şekerin boyar madde olarak kullanılmadığı görülmüştür. Bu proje çalışmasında organik bir madde olan şeker karamel haline getirilerek güneş pilinde boyar madde olarak kullanılmıştır. Üretmiş olduğumuz pilin verimi güneş simülatörü kullanılarak ölçüldüğünde 0,324 olarak hesaplanmıştır. Bu değer boya duyarlı güneş pilleri arasında karamelin iyi ve önemli bir aday niteliği taşıdığını göstermektedir. 2. YÖNTEM 2.1 Boya Duyarlı Güneş Pillerinin Çalışma İlkesi Şekil 2.1 Boya duyarlı güneş pilinin çalışma mekanizması Boya duyarlı güneş pillerinin çalışma prensibi, iki iletken cam arasına uygulanmış olan boyar madde üzerinden sağlanır. Güneş ışığı pil üzerine geldiği an, boyar madde üzerinden geçişi sağlanan elektronlar, TiO2 in iletkenlik bandına geçmeye başlar. 3
Birim zamanda geçişi sağlanan elektronlar, TiO2 üzerinde bulunan ağlar üzerinden dış devreye geçerler. Bu süreçte boyar madde üzerine uygulanmış olan elektrolit içerisinde gerçekleşmekte olan redoks tepkimeleri sayesinde, boyar madde katyonları nötr hale gelir. Elektrolit yükseltgenir ve dış devreden gelen elektron ile indirgenir. Güneş pili, son aşamada sağlanan redoks tepkimeleri sayesinde sürekli olarak elektrik enerjisi üretmektedir [4]. 2.2 Karamel Boya Duyarlı Güneş Pili Yapımı 2.2.1 Kullanılan Malzemeler FTO (Fluorine Tin Oxide) iletken cam; alt ve üst katmanlarda anot ve katot görevinde, Monopropilen Glikol (C3H8O2); iyot elementini çözme amacıyla, İzopropil Alkol (C3H8O); titanyum dioksiti çözme amacıyla, Titanyum Dioksit (TiO2); aktif katmanda yarı iletken özellikte, Potasyum İyodür (KI); sıvı elektrolit görevinde, İyot (I2); sıvı elektrolit görevinde, Karamel; güneş hücresinde ışığı soğurma görevini yapan boya olarak kullanılmıştır. 2.2.2 Sıvı Elektrolit Sıvı elektrolit görevinde kullanmak amacıyla 0,05 M Potasyum İyodür (KI) ve 0,05 M İyot (I2) çözeltileri hazırlanmıştır. M = n (M; molarite, n; mol sayısı ve V; hacim(litre)) derişim formülüne göre 10 ml V Monopropilen Glikol (C3H8O2) içerisinde 0.083gr Potasyum İyodür ve 1.27 gr İyot çözülmeleri sağlanmıştır. Daha sonra iki farklı beher glass içerisinde bulunan bu çözeltiler, yaklaşık olarak 10 dakika karıştırıldıktan sonra aktif katmanda kullanılmak üzere hazır hale getirilmiştir. Resim 2.1 KI, C3H8O2, I2 2.2.3 Karamel Boya Projemizde, daha önce boya duyarlı güneş pili yapımında kullanılmamış olan karamel, boya görevinde kullanılmıştır. Şekerin ısıtılması sonucu yaklaşık olarak 170 C de karamel oluşumu gözlenmiştir. Katılaşmasını önlemek amacıyla (donma noktasını düşürmek için) 4
üzerine az miktarda su ilave edilmiştir. Resim 2.2 Karamelizasyon işlemi 2.2.4 TiO2 Beher glass içine 1 gr TiO2 konularak üzerine %15 yoğunluktaki izopropil alkol pipet ile yaklaşık olarak 10 ml eklenmiştir. 5 dakika kadar karıştırıldıktan sonra FTO camın üzerine ince bir tabaka şeklinde sürülmek üzere hazır hale getirilmiştir. Resim 2.3 Yapılan karışımlar 2.2.5 İletken FTO FTO camların iletken yüzeyleri multimetre ile belirlendikten sonra camların bir tanesi alkol ve aseton ile temizlenerek üzerine TiO2 sürülmesi için uygun hale getirilmiştir. Diğer cam ise 5
karbonla (kurşun kalem yardımıyla) kaplanmıştır. 2.2.6 Güneş Hücresinin Hazırlanması Resim 2.4 İletken camın karbonla kaplanması FTO iletken cam sağdan 2cm, soldan 1 cm, alt ve üstten 0,5 er cm bantlanarak, kalan orta kısma Titanium Di Oxide ve İzopropil Alkolden oluşan karışım uygulanmıştır ve oda sıcaklığında 10 dakika bekletilerek bantlar çıkarılmıştır. Daha sonra; hazırlanan bu tabaka ispirto ocağı üzerinde 15 dakika boyunca ısıtılmıştır.bu tabaka üzerine daha önce hazırlanmış olan boyar madde damlatılarak 10 dakika bekletilmiştir. Resim 2.5 Alt ve üst elektrotlar Daha sonra iletken yüzeyi karbon kaplı olan FTO ile hazırlanan bu yüzey arasına sıvı elektrolit eklenerek (6-7ml) kapatılmış ve mandallar yardımı ile ayrılmaması için tutturulmuştur. Hazırlanan güneş hücresi, verileri almak için denemelere başlamadan önce 30 dakika boyunca oda sıcaklığında bekletilmiştir. 2.3 Boya Duyarlı Güneş Pillerinde Verim Hesaplama Bir güneş piline ait I-V grafiği Şekil 2.1 de verilmiştir. Pilin verimliliğinin hesaplanabilmesi için gerekli olan bazı değişkenler grafik üzerinde gösterilmiştir. 6
Bir güneş pilinin verimliliğinin hesaplanmasında kullanılan değişkenler aşağıda tanımlanmıştır [5]. Şekil 2.3 Bir güneş pilinin akım-voltaj karakteristiği Kısa Devre Akımı (ISC): Pil üzerine uygulanan gerilim Va = 0 V iken ölçülen akım, kısa devre akımıdır. Açık Devre Gerilimi (VOC): Devre üzerinde hiç akım geçmiyor iken ölçülen maksimum gerilimdir. Maksimum Güç (PM): Güneş piline Va gerilimi uygulanırken elde edilen güç, uygulanan potansiyel de oluşan akım ile potansiyelin (Va ) çarpımı olarak tanımlanmaktadır. Elde edilen gücün en yüksek olduğu değere maksimum güç denir. Bu noktadaki akım ve gerilime de güneş pilinin maksimum akımı ( Im ) ve maksimum gerilimi ( Vm ) olarak ifada edilir. P m = V m. I m Doluluk Faktörü (FF): Doluluk faktörü, pilin bir güç kaynağı olarak kalitesinin bir ölçüsüdür. Maksimum gücün, açık devre gerilimi ile kısa devre gerilimi devre akımı çarpımına oranıdır. FF = V m.i m V OC.I SC Verim (η): Pilin verimi (η), güneş pilinin performansının ifadesidir. Pilden elde edilen maksimum gücün (Pm), güneş pili yüzeyine gelen ışığın gücüne (Pin) oranıdır. η = P m P in = V OC.I SC.FF P in 7
3. BULGULAR Üretmiş olduğumuz karamel boya duyarlı güneş pilinin I-V grafiği hem karanlık ortamda hem de aydınlık ortamda güneş simülatörü kullanılarak belirlenmiştir. Grafikten; Im = 11 ma Vm = 224 mv Isc = 25 ma FF = 0,36 Pm = 2,46 mw Şekil 3. Karamel boya duyarlı güneş pilinin akım voltaj grafiği olarak belirlenmiştir. Bu verilere göre güneş pilinin verimliliği η = 0,324 olarak hesaplanmıştır. 8
4. SONUÇ VE TARTIŞMA Oluşturulmuş olan güneş pilinin, organik ve inorganik güneş pillerine kıyasla, daha ekonomik ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olduğu söylenebilir. Bu durumda, pil içeriğinde kullanılmış olan karamel çözeltisinin, oluşturulabilecek benzer enerji kaynaklarında kullanımı da olumlu etkiler bırakabilir ve bu kategori içerisinde çalışmalar gerçekleştirilebilir. Sonuç olarak, proje kapsamında oluşturulmuş olan güneş pili, kaynak taraması sonucunda elde edilen değerlere oranla daha iyi bir sonuç vermektedir. Proje günlük hayatta uygulamaya geçirildiği takdirde aydınlanma ve elektrik elde etme amacıyla kullanıma sunulabilir. Örneğin; cadde ve sokakların aydınlatılmasında, güneş enerjili santrallerde, konutların ısınma sistemlerinde uygun büyüklüklerde karamel boya duyarlı güneş pilleri tasarlanarak verimli bir şekilde kullanılabilir. Aynı zamanda karamel (şeker) doğal, çevre dostu ve ekonomik olduğu için boyar maddeler arasında iyi bir alternatif durumundadır. 5. ÖNERİLER Proje içeriğinde kullanılmış olan boyar maddenin, diğer çalışmalarda kullanılmadığı ve üzerine herhangi bir araştırma yapılmadığı görülmüştür. Yapılabilecek inovasyon çalışmalarında, boya duyarlı güneş pili içeriğindeki boyar maddenin veya boyar madde sabit tutularak iletken camlar üzerindeki kaplamanın değiştirilmesi ile farklı sonuçlar elde edilebilir. Karamel içeriği üzerine düşünülerek, aynı veya benzer yapıdaki hibrit sistemler üzerine de çalışmalar gerçekleştirilebilir. Projenin geliştirilmesine yönelik olarak bitki ve meyvelerdeki şeker konsantrasyonu ayrıştırılarak boya duyarlı güneş pillerinde boyar madde olarak kullanılabilir. KAYNAKÇA [1] https://yearbook.enerdata.net, Erişim Tarihi: 16.01.2017 [2] Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, H. ÖZTÜRK, Birsen Yayınevi, 2012. [3] Zafer, C. (2006). Organik Boya Esaslı Nanokristal Yapılı İnce Film Güneş Pili Üretimi (Doktora Tezi). Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir. [4] Dye-Sensitized Solar Cells, K. Kalyanasundaram, CRC Press, 2010. [5] Kudret, A. (2011). ZnO Tabanlı Doğal Boyar Maddeli Güneş Pili Yapımı (Yüksek Lisans Tezi). Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kahramanmaraş. 9