MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI 1. PRJENİN KNUSU rganik ptoelektronik Esnek Malzemelerin Üretimi: rganik Güneş Pilleri - GP, Işık yayan rganik Diyodlar - LED ve Alan Etkili rganik Transistörler - FET. Hızla gelişen ileri askeri amaçlı teknolojilerde, elektronik malzemelerin ağırlık ve boyutlarının mikron düzeyinde küçülmesinin altında yatan gerçeklerden biri, nanoteknolojik malzemelerin (organik) kullanımlarının artmasıdır. rganik kökenli malzemelerin inorganik malzemelere oranla daha ince kaplanabilmeleri, üretim proseslerindeki kolaylık, ısı ve ışığa karşı dirençli olmaları ve oldukça düşük maliyette üretilebilmeleri, son yıllarda organik elektronik malzemelerin ticari önemini hızla arttırmış ve acımasız bir rekabet ortamı yaratmıştır. Bu tip ileri teknolojik malzemelerin stratejik açıdan gelecek vaadedenleri; i) nanokristal/organik hibrit güneş pilleri, ii) Plastik güneş pilleri, iii) ışık yayan organik led lambalar ve iv) alan etkili organik transistörlerdir. rganik optoelektronik malzemelerde görülen en ciddi sorun, verimliliklerinin inorganik malzemelere oranla düşük kalması idi. Ancak son on yılda gerçekleştirilen çalışmalarla verimliliklerde ki artış bu malzemelerin endüstriyel üretimlerinin yapılabilirliğini kanıtlamış ve Dünyada bu alanda teknolojik yarışın hızla artmasına neden olmuştur. rganik optoelektronik malzemelerin genel tanımlamaları aşağıda sunulmuştur. I. Nanokristal/organik Hibrit ve Plastik Güneş Pilleri: Yüksek verimli ve dayanıklı organik güneş pilleri, inorganik fotovoltaik - PV teknolojilerine kıyasla çok daha düşük üretim maliyetleri nedeni ile gelecek vaad etmektedirler. rganik güneş pillerinin diğer stratejik üstünlükleri ise, i) saydam olabilmeleri, ii) esnek ve hafif olabilmeleri, iii) kolay üretilebilirlikleridir. Saydam ve esnek organik güneş pilleri, askeri stratejik malzemelerde elbise çadır vb. ÖZEL 1
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI taşınabilir malzemeler üzerine uygulanması ile zor iklim ve coğrafya koşullarında gerekli enerji ihtiyacının karşılanmasında kullanılabilirler. I.1. Nanokristal/rganik hibrit güneş pilleri: Nanokristal/rganik hibrit güneş pilleri sistemi, nanokristal metal oksit yapısı ile moleküler/polimerik donor malzeme arasında katı-hal heteroeklem oluşturma esasına dayanmaktadır. I.2. Plastik güneş pilleri: Plastik güneş pilleri, elektron donor ve elektron akseptör olarak davranan iki organik malzemenin karıştırılması ile elde edilen donor-akseptor heteroeklemin iki elektrot arasına sandeviç geometrisinde yerleştirilmesi esasına dayanmaktadır. II. Işık yayan organik Led lambalar - LED: rganik güneş pilleri teknolojisi benzeri olan LED sistemlerinde temel fark ışık ile elektrik üretimi yerine, düşük güçte elektrik ile ışık yayma kapasitesidir. LED ler esnek güneş pilleri ile birlikte üretilebilecek askeri stratejik malzemelerde katlanabilir görüntüleme (monitör), aydınlatma ve uyarı araçları, kumanda sistemleri için gerekli ek unsurlardır. III. Alan etkili organik transistörler - FET: rganik yarı iletken ve yalıtkan malzemelerin 3 elektrod arasına ince film tekniği ile yerleştirilmesi sonucu elde edilen elektronik anahtarlama sistemleridir. Askeri stratejik malzemelerde bütünleştirilmiş elektrik devrelerin, düşük maliyetli hafıza cihazlarının, bilgisayarlarda ve elektronik barkot okuma sistemlerinin, gaz sensörlerinin, katı hal enjeksiyon lazerlerinin, esnek elektronik malzemelerin, açma-kapama sistemlerin, elektriksel sinyallerin oluşturulmasında kullanılmaktadırlar. 2. PRJENİN AMACI Projemizde rganik Güneş Pilleri-GP, Işık yayan rganik Diyodlar-LED ve Alan Etkili rganik Transistörler-FET üretimi ile askeri stratejik hedefli organik ÖZEL 2
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI optoelektronik esnek malzemelerin silahlı kuvvetlerimize kazandırılması amaçlanmaktadır. Bu amaçlara ulaşmak adına, organik güneş pillerinde kulanılan sensör boya ve polimerlerin daha yüksek absorpsiyon yapabilme kapasitelerine erişilmesi, enerji transferi oranlarının yükseltilmesi çalışmalarının yanında, yeni modellerin geliştirilmesi, modüle geçişte karşılaşılan verim kayıplarının azaltılması amaçlı geliştirme çalışmaları paralel yürütülmelidir. Örneğin esnek ve Plastik güneş pillerinde kullanılabilecek yeni akseptör-donör özelliklere sahip moleküler yapıların sentezi, bilinen moleküler yapılar üzerinde yapılacak modifikasyonlar ile absorpsiyon ve enerji transferi yapabilme özelliklerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Nanokristal/organik hibrit pil sistemlerinde ise yeni sensör sentezleri yanında, yarı iletken metal oksitlerin sentezlerinde yeni metodlar geliştirilmesi, sistemlere uygun p-n eklenlerini gerçekleştirecek metaloksit-boya çiftlerini belirlenmesi gibi çalışmalar yapılmalıdır. rganik güneş pillerinde kullanılan malzemelerin büyük bir kısmı diğer organik optoelektronik sistemlerde de kullanılabilmektedir. Bu nedenle moleküler tasarımlar yapılırken, bu malzemelerin LED lambalar ve organik transistör- FET lerde de kullanılnılacağı planlanmıştır. Proje çalışmalarımızda, araştırma grubumuz alt gruplara ayrılarak; organik sentez, ince film, metaloksit yarı iletken sentezi, yeni modüllerin modellemeleri konularında geliştirme çalışmaları yapılacaktır. Alt grupların birbiri ile düzenli bilgi alışverişi ile elde edeceği veriler işlenerek optimum koşullar belirlenecek ve üretimi yapılacak olan organik elektronik malzemelerin modelleri ortaya çıkartılacaktır. rganik fotovoltaikler için anahtar dönüm noktası, esnek malzemeler ile makaradan-makaraya seri üretim olacaktır. Bu teknolojinin gelişimi pil verimi, kararlılık, üretilebilirlik ve üretim maliyetleri gibi parametrelerin çok iyi değerlendirilmesine gereksinim göstermektedir. Genel olarak organik güneş pilleri için tasarlanmış yeni malzemelerin kullanımı (yüksek yük mobilitesi ve güneş spektrumu ile daha uyumlu absorpsiyona (soğurmaya) sahip boyalar) elektriksel dönüşüm verimini çok belirgin bir şekilde artırır. Bu amaçla, belirtilen özelliklere sahip malzemeler tasarlanacak ve üretilecektir. ÖZEL 3
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI 3. PRJENİN KAPSAMI rganik güneş pillerini silikon pillere alternatif olarak üretiminin yapılabilir hale gelmesi için modül verimliliği, kararlılığı, uygulanabilirliği ve üretilebilirliği gibi parametrelerin uygun olması gerekmektedir. Bu proje kapsamında ilgili parametreler göz önüne alınarak Plastik güneş pili ve nanokristal/organik hibrit güneş pilleri üzerine çalışmalar yapılacaktır. Nanokristal/organik hibrit güneş pilleri: Hibrit güneş pillerinde kullanılacak yeni sensör boyaların sentezi ve karakterizasyonu gerçekleştirilecektir. Sensör boyaların enerji seviyeleri, elektron transferi yapabilme kapasiteleri ısı ve ışıga karşı dayanımlarının tespiti yanında yarıiletken metaloksitler ile etkieşimlerinin belirlenmesi çalışmalarıda gerçekleştirilecektir. Sensör boyaların sentezine paralel olarak metaloksitlerin sentezlerinde yeni yaklaşımlar geliştirilmesi çalışmaları yapılacaktır. Sıvı elektrolitlerin organik güneş pillerinde kullanımıyla verimlerinin %10 düzeyine ulaştığı bilinmektedir. Enstitümüzde üretilen organik güneş pillerinde (bak Şekil ) 9% verime kadar ulaşılmıştır. Ancak sıvı elektrolitlerin dayanıklılık problemleri ve esnek destek materyaller üzerine uygulanmalarındaki zorluklar sıvı elektrolitlerin üzerinde yeni çalışmalar gerektirmektedir. Bu amaçla yeni sıvı elektroliklerin sentezleri yanında pillerde dayanımını arttıracak yeni metodlar araştırılacaktır. Plastik güneş pilleri: Bu tip güneş pillerinde kullanılan malzemenin tamamı organik kökenlidir. Bu tip piller n tipi ve p tipi organik yapılar dönor akseptör çiftleri ve iletken polimerlerin kullanılarak oluşturulduğu yapılardır. Bu proje kapsamında Plastik güneş pillerinde kullanılmak üzere yeni polimer ve oragnik boyaların sentez ve karakterizasyonu gerçekleştirilecektir. Sentezlenen bileşiklerin yük taşıyabilme hızları, enerji düzeyleri, absorpsiyon-emisyon özellikleri, elektrokimyasal davranışları, ısı ve ışıga karşı kararlılılarının incelenmesi ile karakterizasyonları yapılacak ve pil modellerinde uyguanacaktır. ÖZEL 4
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI Yeni organik malzeme sentezlerine paralel olarak esnek destek materyali veya cam üzerine uygulanacak yeni pil modelleri geliştirme çalışmalarıda yürütülecektir. Pil modelleri geliştirme kapsamında yeni donor akseptör tiplerinin belirlenmesi, film hazırlama tekniklerinde yeni yaklaşımların geliştirilmesi, çok tabakalı pil modelleri üzerinde yapılacak alternatif modellemeler, modül oluşumu sırasındaki verim kayıplarının engellenmesi için yeni alternatiflerin önerilmesi ve uygulanması çalışmaları yapılacaktır. Proje çalışmları kapsamında aşılması düşünülen hedefler; Plastik güneş piilerinde %4 ün üzerinde verim rganik inorganik güneş pillerinde %5 in üzerinde verim 3000 saatin üzerinde sabit verim Üretim metodlarının basitliği ve işleyebilirliği 10 MWp lık bir alan için, 1.25 USD/Wp den daha az üretim maliyeti Işık veren rganik Led Lambalar -LED: LED lerin temel yapıtaşı, içinden elektrik akımı geçirildiğinde görünür dalgaboyu aralığında foton salımı yapan organik bileşiklerdir. LEDler yapısında kullanılan organik malzemelerin türüne göre sınıflandırılmışlardır. SMLED olarak adlandırılan sınıf, yaklaşık olarak 100 400 atomik birim ağırlığındaki moleküllerden oluşan fosforesant yada elektrolüminesant organik bileşiklerden yararlanılarak elde edilirler. İlk olarak Eastman Kodak firması tarafından üretime geçirilen küçükmolekül teknolojisi. halen Japon Pioneer firması tarafından otomobil teyplerinde ve Amerikan Motorola firması tarafından da cep telefonlarında kullanılmaktadır. Kodak ve Sanyo firmaları da, bu teknolojiye dayanan tam renkli aktif matris göstergelerini duyurmuşlardır. Küçük molekül LED lerde kullanılan malzemeler destek yüzeye vakum buharlaştırma yöntemi ile kaplanmaktadır. Küçük molekül tekniğinde katmanların kalınlıkları tam olarak belirlenebilmekte ve kontrol edilebilmektedir. Ayrıca malzeme saflıkları da oldukça yüksek değerlere erişebildiğinden, elde edilen ışımanın dalgaboyu çok dar bir aralıkta kalmakta ve istenilen renk değerleri tam olarak sağlanabilmektedir. LEDlerde kullanılabilecek malzemelerin sentezlenmesi ve yeni modellemelerin yapılması ile LEDlerde aşılması hedeflenen değerler ÖZEL 5
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI aşağıda özet olarak verilmiştir. Belirtilen hedeflerin tümünün tek bir modül tipinde aşılması mümkün olmayabilir. Ancak herhangi bir modül tipinde aşılayamayan hedefleri ihmal edilebilir düzeye getirebilecek şekilde belirlenen hedeflerin bir kaç tanesinin aşılması ile üretilebilir bir modele ulaşılabilir. Yukarıda belirtilen amaçların aşılabilmesi için çok ciddi bir bilimsel işbirliğine ihtiyaç duyulmaktadır. Bunu başarmak için boya sensörlü Küçük Molekül LED (SMLED) Polimer LED (PLED) Işıtma Gerilimi 5 Volt 2 Volt Parlaklık 100 cd/m 2 >250 cd/m 2 Emisyon Verimi 5 lm/w >10 lm/w Hizmet Ömrü 5000 saat 30.000 saat Görüntüleme Açısı <160 >160 nanokristal ve polimer sistemleri üzerinde çalışan araştırma gruplarının bilgilerinin entegrasyonu gerekmektedir. Bu projenin birincil amaçları: 1. Sistem verimliliğinin optimizasyonu Boşluk iletken maddenin boşluk hareketliliğinin geliştirilmesi ÖZEL 6
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI Boşluk iletken malzemenin absorpsiyon (soğurma) dalga boyu ayarlanarak geliştirilmeli Ara yüzey kayıpları minimuma indirgenmeli Yük toplanmasının optimizasyonu Fotoaktif tabakanın nanomorfolojik yapısının noptimizasyonu. Metal oksit yapısının organik boşluk iletken malzemenin metal oksit tabaka içerisinde homojen dağılımının iyileştirilmesi. 2. Pil üretiminin elastik yüzeylerde yapılabilmesi için tüm bu proseslerin düşük sıcaklıkta (T<200 Cº) yapılabilmesi 3. Sistemin modellemesinin yapılabilmesi 4. Sistem kararlılığını etkileyen kilit faktörlerin belirlenmesi Alan etkili rganik Transistörler - FET: Nanobilim ve nanoteknoloji gerek gelişmiş ve gerekse gelişmekte olan ülkeler arasında teknolojik bir yarışa dönüşmüştür. Nanobilim ve nanoteknoloji alanındaki seviyeleri, adeta, ülkelerin gelişmişliklerini ölçen bir kriter olmuştur, nanobilim ve nanoteknoloji araştırmalarına yönelik olarak araştırma laboratuvarları yeni bir örgütlenmeye gitmekte; üniversitelerde bu konuda yeni eğitim programları başlatılmaktadır. rganik elektronikler arasında yer alan FET(alan etkili organik transistor) lerin yapımı bu teknoloji için çok büyük öneme sahiptir. Genel olarak FET bir kapasitördür. 3 elektrotlu bir sistemden ibarettir. Gate (kapı), source (kaynak) ve drain (akıtma) olmak üzere 3 elektrot içerir. Gate elektrot yarıiletken tabakadan yalıtkan malzeme kullanılarak ayrılmıştır. Diğer iki elektrot source (kaynak) ve drain (akıtma) ise yarıiletken üzerindedir. Gate elektroda voltaj uygulandığında yükler elektrostatik olarak yarıiletken-yalıtkan arayüzeyinde birikmektedir. Transistörler kullanılan yarıiletkenin türüne bağlı olarak n- ya da p- tipli olabilirler. rganik transistorler üretimi dunyada son 10-13 yıldır gelişmekte olan bir konudur. Silikon FET lere kıyasla maliyetinin ucuz olması, kaplama yöntemlerinin kolaylığı düşünülürse rganik FET ler üstün durumdadır. Özellikle FET-LED ÖZEL 7
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI sistemlerinin Samsung mobil telefonlar, televizyonlar ve ev sinema sistemlerinde kullanılması organik elektronikler teknolojisinin önemini gözler önüne sermektedir. rganik FET ler ise henüz Türkiye de uygulaması olmayan çok yeni bir teknolojidir. Bu teknolojinin Türkiye ye kazandırılması bu amaçla çok önemlidir. Nanoteknolojiler adı altında geçen organik, fotonik sistemlerin gelişimi şüphesiz çok önemlidir. Dünyanın bu teknolojiler için yarış halinde olduğu düşünülürse mevcut teknolojilerin ülkemize kazandırılması gerekmektedir. FET teknolojileri konusunda 1 makale sunulmuş ve 1 patent başvurusu İlgili Dokümanlar kısmında görülmektedir 4. PRJENİN TEKNİK ÖZELLİKLERi 4.1. rganik boşluk yarıiletkenler: Plastik güneş pillerinde yüksek verim için gerekli ön şart, boşluk ve elektronlar pilin dışına taşınmadan, birleşip nötral hallerine dönüşşmemeliidirler. Bu nedenle, yükleri ayrılmış hallerin kararlı ve yük transfer mobilitesi yüksek olmalıdır. Konjuge polimer fullerene (C 60 ) bu özellikleri sağlayabilmektedirler. Daha verimli ve mevcut sistemler için yeni malzemeler tasarlanıp sentezlennecektir. Çalışmalara en yüksek verimli fotovoltaik sistemler olan MDM-PPPV:PCBM sistemi (AM1,5 şartlarında 3% verim) ve P3HT:PCBM sistemi (üretim sonrası işlem ile AM1,5 şartlarında 800 W/m 2 ışınım şiddetinde 3.5% verim) başlanacaktır. Mevcut malzemeler ile iki önemli sınırlamaın üstesinnden gelinmesi gerekmektedir: Malzemenin spektarl soğurması: Biz, güneş spektrumu ile daha uymlu olan kırmızıda absorblayan yeni malzemeler tasarlamayı vedizayn etmeyi amaçlıyoruz. 1.3-1.4 ev band aralığına sahip yüksek çözünürlüklü konjuge polimerler bu iş için idealdir. Aynı zamanda 1.7-1.8 ev band aralığına sahip konjuge polimerler de verimi 2 kat arttıracaklardır. Düşük band aralığına sahip malzemeler oksidatif polimerleşme (yükseltgenme ile polimerleşme) yolu ile sentezlenebilirler. Şekil-1 de verilen yapılara benzer yapılar 1,4-2 ev aralığında ki küçük band aralığına sahip ÖZEL 8
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI polimerlerlere örnek olabilirler. Aril (-Ar) ve alkil (-R) grupları üzerinde yapılacak değişiklikler ile verimde artış elde edilebileceği beklenmektedir. NC H 21 C 10 Ar Ar C 10 H 21 CN n R C 8 H 17 Ar = S S S S Şekil -1. Bazı küçük band aralığına sahip polimer örnekleri Yüksek yük taşıyıcı mobilitesi: Güneş ışığının optimal soğurulması pil kalınlığı ile doğru orantılıdır. Ancak bu kalınlık maddenin mobilitesi ile limitlidir. Malzemenin elektonik ve optik özellikleri moleküllerin paketleme yetenekleri ile yakından ilişkilidir. Malzemenin çözelti halinde ki moleküllerin düzensiz hallerinden katı hal incefilm de düzenlenmiş yapıya geçişlerini anlamaktan çok kontrol etmek çok büyük bir öneme sahiptir. Polar yönelme, polimerler üzerinde elektriksel veya optik araçlarla oluşturulmuş diod yapıda ki moleküllerin yönelimleri ile sağlanacaktır. Elektron itici ve çekici grupları üzerinde bulunduran polimerler tasarlanacak ve sentezlenecektir. İlk aşamada poli (p-fenilen vinilen) (PPV) türevleri konjuge iskelet olarak kullanılacaktır. MDM-PPV yüksek verim için en iyi konjuge polimer sistemlerinden biridir (Şekil-2). ÖZEL 9
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI R' CnH 2 n N N 2 R n Şekil-2: PPV esaslı dipolar konjuge polimer yapısına örnek yapı. Çalışmalara PPV lerden başlanılacaktır. PPV sentezine giden yol sulfinil yolu çok az (<1%) hata ile sentez imkanı vermektedir. PPV polimeri Gilch yöntemi ile sentezlendiğinde mobilite 1,1 10-4 cm 2 V -1, sulfinil yöntemi ile sentezlendiğinde ise 2 10-4 cm 2 V -1 olarak ölçülmektedir. Sülfinil yöntemi ile ifade edilen regio-regular (düzenli) polimer sentez yöntemidir. Çünkü sülfinil yönteminde kullanılan polimer simetrik değildir. Gilch yönteminde ise simetrik polimer kullanılmaktadır. Nanokristal /organik hibirit güneş pillerinde kilit nokta organik fazın nanokristal faz içerisinde homojen dağılımıdır. Bu yükek moleküler ağırlığa sahip polimerler için kısmen problem teşkil ediyor. Bunun nedeni hidrofilik polimer ile hidrofilik metal oksit yüzeyinin istenilen düzeyde etkileşmemesi olarak öngörülmektedir. Bu sorunun çözümüne yönelik iki yöntem uygulanabilir: Aşağıda şekilde gösterildiği gibi hidrofobik zincire sahip amfifilik boyalar kullanmak. Bu yapı elektrolit içerisinde ki suya karşı toleransı yükseltmekte ve hidrofobik boşluk iletken maddenin metal oksit içerisinde ki dağılımını arttırmaktadır. Şekil 3: Hidrofilik karboksilat ve hidrofobik alkil zinciri içeren amfifilik boya. Hidrofilik grup içeren organik boşluk iletken madde kullanmak. ÖZEL 10
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI Şekil-4: Hidrofilik organik boşluk iletken molekül (spiro-metad) 4.2. Plastik Güneş Pilleri: İki ayrı model Plastik güneş pili eş zamanlı olarak incelenecektir. a. Heteroeklem donor-akseptör Plastik güneş pilleri iki açıdan optimize edilecektir. Bugün en verimli Plastik güneş pilinin verimi AM1,5 simülatörde 3-3,5% cicvarındadır. Verimin daha da arttırılması için düşük enerji bandı aralıklı çözünür,güneş spektrumu ile daha uyumlu bölgede absorblayan polimerler ile çalışılacaktır. b. diğer yeni Plastik güneş pili modeli, çok eklemli donor akseptör güneş pili modelidir. Bu model Spin Coating veya Vakum Biriktirme ile yapılacaktır. IT/PEDT PPV-oligomer:C 60 Thiophene-oligomer Thiophene-oligomer :C 60 Al Al Au 1-2 nm ÖZEL 11
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI Şekil-5: 2-terminalli çokeklemli Plastik güneş pili şeması. Kilit nokta optik olarak transparan tunnel eklemdir. 4.3. Nanokristal/rganik Hibrit Güneş Pili: Arayüzeylerde yük geri kaçışının minimize edilmesi: Arayüzeyde çok geniş bir yüzey alanı ve limitli yük taşıyıcı mobilitesi sebebi ile arayüzeylerde yük geri kaçışı,nanokristal/organik güneş pillerinde verimi sınırlayan en önemli faktördür. Bu kayıpları önlemek bazı önlemler öngörülmektedir: i. Yalıtkan metal oksit elektron barier tabakası kullanmak: Bu tür bir tabaka ile verim 30% arttırılabilmektedir. Bu tabaka yarıiletken metal oksit ile boya ve elektrolit arasında bir barier oluşturmaktadır. Bu barier tabakası düşük sıcaklıkta da oluşturulabilmektedir. ii. rganik boşluk iletken malzeme içerisine iyon ilavesi: Spiro- MeTAD esaslı hibrit güneş pillerinde arayüzeylerde ki geri yük transferi ortama lityum tuzu ve tert-bütil piridin ilavesiyle minimize edilmektedir. Düşük sıcaklıkta metal oksit yarıiletken üretim yolları: Son zamanlarda düşük sıcaklıkta nanokristal nano poröz Ti 2 film üretiminde çok başarılı çalışmalar yaptık. Kısmen yüksek basınç ve baskı sinterleme yoları ile sıvı elktrolitli sistemlerde 6% verime kadar ulasildi. Bu filimler ile katı faz günes pillerinde denemeler üzerine çalışmalarımız devam etmektedir. Şekil-6: Düşük sıcaklıkta sıkıştırma (pres) yöntemi ile üretilmiş Ti 2 filminin SEM görüntüsü. ÖZEL 12
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI Ayrıca, gözeneksiz ve yüksek yoğunlukta barier Ti 2 filmini üretimi için de bir dizi çalışma yapılmaktadır. Bunun için sol-jel yöntemi ve plazma sputter yöntemleri ile birlikte elektrokimyasal biriktirme yöntemi de kullanılmaktadır. Metal oksit geliştirme çalışmaları İP-2 de yapılmakta ve nanokristal yapımının spesifik özellikleri (nanokristal, gözenek boyutu, film kalınlığı gibi) üzerinde incelemeler yapılacaktır. 4.4. rganik ve organometalik esaslı boyar maddeler: Güneş ışığının çeşitli dalga boylarına duyarlı organik ve organometalik esaslı boya taarlanması ve sentezi çalışmaları da yukarıda belirtilen çalışmalar paralelinde kesintisiz olarak sürdürülmektedir. Bu amaçla kullanılan boyalarda literatürde de bilinen en yüksek verimli olanları rutenyu bipiridil kompleksleri dir. Rutenyum bipiridil komplekslerini ilk olarak boya sensörlü güneş pillerinde kullanan İsviçre EPFL den Prof.Dr.Michael Grätzel dir. Bu nedenle de Prof. Grätzel literatürde organik boya esaslı güneş pillerinini mucidi olarak bilinmektedir. Prof. Grätzel ve grubu ile bilimsel çalışmalarda ortaklıklarımız bulunmakta ve laboratuvarlarını ortak çalışmalar yapmak amacı ile gurubumuza açmaktadırlar. Güneş pillerinde en verimli olan rutenyum kompleksleri Z-907 kod numaraları ile belirtilen ve kimyasal yapısı şekil -3 de verilen yapının benzeri yapılardır. Enstitümüzde ve grubumuzda bu doğrultuda bir çok rutenyum kompleksi sentezi yapılmakta ve bunlar güneş pillerinde test edilmektedir. Rutenyumlara alternatif olarak organik boya tasarımları ve sentezleri de aynı hızla devam etmektedir. Rutenyumlara alternatif olabilecek organik boya türleri, indolin boyalar, kumarin boyalar ve grubumuzun en iddialı ve uzmanı olduğu perylen türevi boyalardır. Perilen türevi boyalar perylen diimidler ve perilen monoimidler olarak iki sınıfta incelenmektedir. Peryle diimidler genellikle simetrik yapılar olduklarından Plastik güneş pillerinde fulleren (C 60 ) türevlerine (PCBM) en kuvvetli alternatif durumundadırlar. Termal, fotokimyasal ve fotfiziksel kararlılıkları sebebi ile perylen türevleri gelecekte güneş pilleri teknolojisinde en çok güvenilen yapıların başında gelmektedirler. Perilen monoimid türevleri ise asimetrik yapıda olup bir tarafı imid diğer tarafı ise anhidrit halkası içermektedirler. Anhidrit halkasının metal oksit yüzeyinde açılarak yüzeye ester bağları ile kuvvetli bir şekilde bağlanabilme yeteneği ÖZEL 13
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI sayesinde boya esaslı nanokristal güneş pilleri ve nanokristal/organik hibrit güneş pillerinde kullanılabilmektedirler. Plastik güneş pilleri ve nanokristal/organik hibrit güneş pillerinde kullanılacak örnek kimyasal yapılar 14. Ekler kımında şekiller ile verilmiştir. 4.5. Işık veren rganik Led lambalar - LED: Burada asıl önemli ve stratejik olan farklı polimerik ve/veya organik malzemeler kullanılarak istenilen renkte ışıma yapan LEDlerin üretilebilmesinin mümkün olmasıdır. Bütün renklerin üretilebilmesi için gerekli olan temel üç ren olan mavi, kırmızı ve yeşil renkler için kullanılan organik ve polimerik malzemeler mevcuttur. Mesela mavi renk için polifluoren (PF) ve poli(fenilenpropilen, PPP) türevleri, kırmızı renk için poli(fenilenvinilen, PPV), PPP veya PF türevlerinin toprak alkali metal kompleksleri, yeşil renk için ise aluminyum tuzları olan organik yapılı bileşiklerden elde edilmektedir. ÖZEL 14
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI 4.5. rganik alan etkili transistorler (FETler): Grubumuz tarafından üretilen FET yapısı ve karakterizasyon çalışmaları aşağıda gösterilmektedir. Şekil 7. FET in gösterimi (a) ve kullanılan dielektrik malzemeler (b,c,d) Şekil 8. Yarı İletken Malzemeler ÖZEL 15
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI 5. MEVCUT TEKNLJİLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ 5.1. Nanokristal/rganik Hibrid Güneş Pilleri ve Plastik Güneş Pilleri Fotovoltaik sistemler orta ve uzun vadede umut verici enerji kaynaklarından biridir.son on yılda hızla artan geliştirme çalışmaları sonucu verimleri oldukça yüksel silikon esaslı güneş pilleri geliştirilmiştir. 1991 de %5 düzeyinde verimle başlayan çalışmalar, 1999 da %32 ve 200 li yıllarda %38 düzeylerine ulaşmıştır. Laboratuvar çalışmlarında elde edilen yüksek verimler modül olarak üretilmeleri durumunda ise direnç ve iletkenlik gibi sorunlar nedeniyle %18-20 düzeylerine inmektedir. Bu değerlerden daha yüksek verimle çalışan modül sistemleri ise çevreye zaralı bileşenler içerdiğinden kullanım alanları sınırlı kalmaktadır. Bugün Avrupa, silikon esaslı güneş pili sistemlerinin kurulu gücünü 2010 yılına kadar 3-4 GWp düzeyine ulaştırmayı amaçlamakdır. Öte yandan uzun vadede silikon esaslı pillerin kullanımldaki sınırlayıcı faktörler alternatif fotovoltaik sistemlerin geliştirilmesini gerekli hale getirmiştir. rganik güneş pilleri, organik elektronik malzemeler içinde oldukça ilgi çeken bir örnektir. Bugün dünyada organik güneş pillerinin geliştirilmesine yönelik yatırımlar hızla artmaktadır. Son 15 yılda gelişmeye başlayan bu teknolojide laboratuvar çalışmalarında %3 lerden başlayan verim bugun %10 düzeyine kadar yükselmiştir. Gelecekte yapılacak çalışmaların sonucunda verimlerin daha da yüksek hale gelmemesi için bir sebep yoktur. Verimleri silikon esaslı güneş pillerine oranla düşük kalmasına rağmen, organik güneş pillerinin yapımındaki kolaylık, maliyetinin düşüklüğü, seffaş olmaları, esneyebilir materyaller üzerine uygulanabilmeleri büyük avantaj sağlamaktadır. rganik güneş pillerini oluşturan malzemelerin çok ucuz olması, çevreye zaralı etkilerinin olmaması, gibi faktörler bu teknolojinin geliştirilmesi gereğini bira kez daha ortaya koymaktadır. Silikon bazlı güneş pilleri ile karşılaştırıldığında; Silikon esaslı pillerin üretimi karmaşık ekipmanlar gerektirmekte çok yüksek sıcaklılarda saf kristl elde edilmesi gibi pahalı bir prosesi içernektedir. rganik pillerde ise laboratuvar koşullarında ve basit ekipmanlarla hazırlanabilmektedir. ÖZEL 16
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI Silikon esaslı piller seffaf değildir. Yerleştirildikleri zeminin alt kısmı kullanılmayan bir alan olmalıdır. Bu tip alanlar binaların çatıları veya bahçelerinin bir kısmı ile sınırlı kalmaktadır. ysa organik güneş pilleri şeffaftır. Binaların pencere camlarına uygulanabilir. Buna ek olarak esnek olan organik güneş pilleri sadece camlara değil uygun olan her zemine uygulanacak kadar hafif ve kullanışlıdır. Askeri amaçlı olarak askeri elbiselerin üzerine montajı ile telsiz ve benzeri araçların enerji gereksinimlerini karşılayabilirler. Hafif olmalarıda avantajdır. rganik güneş pillerinin silikon esaslı pillere oranla getirceği avantajlar göz önüne alındığında bu teknolojinin geliştirilmesi için çalışmaların yoğunlaştırılması gereği bir kez daha görülmektedir. 5.2. Işık veren rganik Led lambalar - LED: LED lerle ilgili bu güne kadar polimerik malzemeler kullanılarak yapılmış olan çalışmalarda elde edilen verimlilik sonuçları aşağıdaki tabloda özetlenmiştir. Teorik olarak elde edilebilecek olan maksimum verimliliğin %25 (singlet düzeyden yapılan ışımaya göre) ve %75 (triplet düzeyden yapılan ışımaya göre) oranlarında olduğu düşünüldüğünde deneysel olarak elde edilen verimliliğin çok düşük kaldığı görülmektedir. Bu da LEDlerin verimlik ve oluşturacağı ekonomik potansiyel açısından (harcanan enerjinin elde edilen ışık şiddetine oranı) gelecekte ne kadar önemli olduğunu ve stratejik öneme sahip olabileceğini açıkça göstermektedir. Yayılan ışığın rengi Işıma dalga boyu (λ max, nm) Verimlilik (%) Kırmızı-turuncu 610 2-4 Kırmızı-turuncu 610 2.1 Kırmız 710 0.87 Kırmızı-turuncu 600 5.0 Kırmızı 662 3.85x10-4 ÖZEL 17
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI Yeşil 550 0.3 Yeşil 500 0.1 Mavi-yeşil 554 3.2 Mavi 450 0.3 Mavi 459 0.01 Mavi 400-490 2 Mavi 440 3 Mavi-yeşil 491 0.1 Mavi 460 4 5.3. Alan etkili rganik Transistör - FET: Naftalen diimid türevi için elektron hareketliliği 0.05 cm 2.V -1.s -1 ; N,N'-bis (dehidroabietil)-3,4,9,10-perilendiimid (PDI), ambipolar ve havada kararlı olan türev için elekton hareketliliği, µe 7 x 10-5 cm 2.V -1.s -1 ve boşluk hareketliliği, µh 8 x 10-5 cm 2.V -1.s -1 olarak bulunmuştur. Çözünürlüğü az, havada kararlı, N- (siklohekzil)-perilen-3,4,9,10-tetrakarboksilik-3,4-anhidrit-9,10-imid kullanılarak oluşturulan n-kanallı FET için elektron hareketliliği, µe 10-5 cm 2.V -1.s -1 olarak bulunmuştur. 6. PRJE İLE SAĞLANACAK YARARLAR VE DİĞER UYGULAMA ALANLARI Bu projenin ana hedefleri: Kararlı ve yüksek verimli Plastik elektronik malzemeler (GP, LED, FET) pillerinin üretimi ÖZEL 18
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI Esnek destek materyallerinden oluşan organik elektronik malzemeler (GP, LED, FET) üretimi Nanoteknoloji alanında ülkemize yeni teknolojilerin kazandırılması Bu hedeflere ulaşılması halinde sağlanacak faydalar: Askeri ve sivil binaların pencere camlarını organik güneş pilleri ile kaplanarak enerji ihtiyacının tamamen veya kısmen karşılanması Esnek organik güneş pillerinin elbise çadır vb. taşınabilir malzemeler üzerine uygulanması ile zor iklim ve coğrafya koşullarında gerekli enerji ihtiyacının karşılanması Yeniş iş alanlarının açılması. Yapılan araştırmalara göre yeni güneş pili üretim tesislerinin kurulması yaklaşık 20 ayrı alanda yeni iş imkânları oluşturacaktır. Buna bazı yan sanayi alanlarının da eklenmesi ile potansiyel olarak 30 ayrı iş alanı oluşturacağı rapor edilmiştir. Avrupa birliğinin konu ile ilgili yayınladığı raporlarda güneş pili sistemlerinin üretimindeki artışla 2010 yılına kadar 100.000 kişiye yeni iş imkanları sağlayacağı belirtilmiştir. rganik güneş pillerinde sağlanacak gelime ve üretim aşamasına gelinmesiyle oluşacak sinerji, konu üzerine yapılacak araştırmalara hız verecek ve gelişime yeni ivmeler katacaktır. Şu an ülkemizde az sayıda araştırmacının ve sanayicinin ilgisini çeken bu konu, oluşacak sinerjinin etkisiyle, yeni araştırma laboratuarlarının kurulması, yerli sanayicilerimizin konuya yatırımlarının artması gibi alanlarda hızlı bir gelişmeye neden olacaktır. 7. PRJE İLE İLGİLİ MEVCUT PTANSİYEL VE YATIRIM Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü nde ana bina içnde kurulmuş 11 adet araştırma laboratuvarı, 3 adet spektroskopik ölçüm laboratuvarı bulunmaktadır. Ana binanın çevresinde muhtelif alanlara kurulmuş 3 adet rüzgar tirbunu, 1 adet rüzgar ölçüm istasyonu, biokütle uydu laboratuvar, 1 adet yoğunlaştırılmış güneş ışınımı sistemi, Gamma tipi güneş evi, bina ÖZEL 19
MSB ARGE VE TEKN.D.BŞK.LIĞI çatısında silikon esaslı güneş pili sistemleri, rüzgar ölçüm sistemleri, aktif ve pasif ısıtma sistemleri bulunmaktadır. rganik elektronikler ile ilgili çalışma amaçlı kurumuş laboratuvarlar ve mevcut altyapı: LABRATUVAR ALTYAPI YAKLAŞIK YATIRIM MİKTARI (YTL) Sentez Laboratuvarı-1 İnkubator, Etüv (2 adet), Rotary evaparator (2 adet), toklav, UV-Na- Halojen lamba sistemleri, Düşük veya yüksek başınc deney sistemleri, Havadan arındırılmış deney sistemleri, Erime noktası tayin cihazı, Ultrasonik banyolar, Kriyostat 1.000.000 Sentez Laboratuvarı-2 rta basınç sıvı kromotografisi sistemi (MPLC), UV lamba sistemleri, Etüv, Vakum etüvü, Rotari evaparator, Sıvı azot sistemi, 1200.000 ÖZEL 20