Boya İle Duyarlı Hale Getirilmiş Güneş Pilleri Nasıl Çalışır?

1991 yılında Michael Grätzel ve O’Regan tarafından geliştirilmiş, günümüze kadar meydana gelen gelişmelerle % 10 laboratuvar verimliliğine ulaşılmıştır. Mevcut silisyum esaslı p-n eklem tipi güneş gözelerinden farklı olarak, bitkilerde gözlenen foto elektro-kimyasal mekanizmalarla çalışan boya duyarlı güneş gözelerinin bu özelliği yapay fotosentez olarak adlandırılmaktadır.

A- A+

13.10.2013 tarihli yazı 23909 kez okunmuştur.

Boya ile duyarlı hale getirilmiş güneş gözeleri (DSSC), güneşten gelen ışığı organik molekül tabakası ile absorbe eden ve doğrudan elektrik enerjisine çeviren bir cihazdır. Üçüncü nesil güneş gözeleri olarak adlandırılan ve bilindik güneş gözelerine alternatif olarak ortaya çıkan fotovoltaik gözeler grubuna dahil güneş gözeleridir.

Fotoelektrotların duyarlaştırılması ilk olarak Moser tarafından rapor edilmiştir (Moser, J. 1987). Daha önce, geniş bant aralıklı yarı iletkenlerin boya kullanarak görünür bölgeye duyarlı hale getirilmesi Fujihira (Fujihira et al, 1977) ve Anderson (Anderson et al. 1979) tarafından rapor edilmiştir. Önceki çalışmalarda üretilen foto-elektrokimyasal piller çok düşük verimliydiler.

► İlginizi Çekebilir: Silisyum Tabanlı Geleneksel Güneş Pilleri Nasıl Çalışır?

Verimlerin bu denli düşük olmasının nedeni, tek kristal yarıiletken yüzeyinin, tek tabaka boya ile duyarlaştırılması sonucu soğurulan ışık miktarının çok az olmasıdır. Tek kristal elektrotun yüzeyinin birden fazla boya tabakası ile duyarlaştırılması daha fazla ışık soğurulması için alternatiflerden biriydi (Grätzel, M. 1995). Ancak, birden fazla boya tabakasının kullanılmasının, akım üretimine katkıda bulunmayacağı anlaşıldı.

En dış tabakadaki boya molekülleri filtre görevi yaparak alt tabakalardaki boya moleküllerinin ışık soğurmasını önleyeceklerdir. Bu problemin çözümü, tek kristal tabaka yerine nano kristal yapılı film kullanarak çözülmüştür. Sol-jel kimyasındaki gelişmeler, nano-kristal yapıda şeffaf yarıiletken film üretmeyi mümkün kılmaktadır (Barbé et al. 1997).

1991’de Grätzel ve O’Regan %7 verimli güneş pillerini rapor etmişlerdir (O’ Regan et al 1991). Bugün ise verim %11’e ulaşmıştır (Nazeeruddin et al. 2001).

♦ Michael Grätzel

DSSC'lerin Genel Gösterimi

► İlginizi Çekebilir: Organik Güneş Pilleri

TiO₂ (anatase) Film Tabanlı Boya İle Duyarlı Hale Getirilmiş Güneş Gözesinin Elektron Mikroskobu Altındaki Görüntüsü;

DSSC'nin Elektriksel Mekanizması;

1. hv + S → S*

2. S* → e- + (S⁺)

3. (S⁺) + 3I^- → (S⁺) + I₃^-

4. I₃- + 2e- → 3I^-

Boya İle Duyarlı Hale Getirilmiş Güneş Gözelerinde Kullanılan Boyalar;

► Organik boya temelli güneş pillerinde (DSCC) çok çeşitli sınıfa ait boyalar kullanılmaktadır.

► Porfirinler, ftalosiyaninler, polipiridiller, kumarinler, indolinler , trifenilaminler, konjüge polimerler, perilenler bu sınıflar içinde yer almaktadır. En yüksek verim hala rutenyumpolipiridil türevleri (Gratzel pillerinin ilk öncüsü) yapılarıdır. Rutenyum polipiridil boyaları bugüne kadar en yüksek verim elde edilen boyalar olmalarına rağmen sistemler için uygun değildirler. Bu boyaları sınırlayan faktörler arasında sentezlerinin zor olması, çıkış maddelerinin pahalı olması, molar soğurma katsayılarının düşük olması ve güneş spektrumunun çok dar bir aralığında soğurma yapmaları sayılabilir.

► Organik boyalar Rutenyum tabanlı kromoforlara göre daha yüksek molar absorpsiyon katsayısına sahiptirler ve çok alternatifine sahiptirler. Böylece istenilen aralıkta absorpsiyon yapan boyarmaddelerin sentezi mümkündür.

!!! Organik boya temelli güneş pillerinde kullanılacak boyalar, ışık enerjisini yüksek verimle elektrik enerjisine dönüştürebilmesi için bazı temel özellikleri barındırmalıdır. Bunlar;

1. Boya GB’de (400-700 nm) absorpsiyon yapmalıdır. Bu durumda boya daha çok tercih edilen ve tek tabakalı güneş pilleri için gerekli olan 1.35 eV bant aralığını sağlamış olur.
2. Boya yarı iletken yüzeyine kuvvetli adsorpsiyon yapmalıdır.
3. Boyanın çözünürlüğü iyi olmalıdır ve yarı iletken yüzeyine tutunabilecek bağlayıcı fonksiyonel bir grup içermelidir.
4. Işığın güneş pilinde boya haricinde diğer katmanlar tarafından (yarı iletken veya elektrolit) soğurulması istenmez. Bu durum, pil verimini ve kararlılığını olumsuz etkileyebilecek yan reaksiyonlara sebep olmaktadır.

Örnek Bir Güneş Pilinin I-V (Akım - Gerilim) Karakteristiği;

DSSC'lerin Avantajları;

► Düşük ışıma koşullarında çalışabilme:

Bilindik güneş gözeleri yüksek sıcaklıkta ve düşük radyasyon koşullarında performans kaybeder, ancak boya duyarlı güneş gözeleri sıcaklık, ışıma açısı ve düşük ışıma koşullarından etkilenmeden enerji üretmeye devam eder. Özellikle bulutlu havalarda,güneş radyasyonunun düşük olduğu mevsimlerde ve coğrafi bölgelerde enerji üretimi açısından son derece avantajlıdır.

► Esnek taban malzemelerine uygulanabilme:

Farklı renklerde ve ışık geçirgenliklerinde üretilebilmelerinin yanı sıra düşük ışık şiddetlerindeki yüksek performansları sebebiyle bina içi uygulamalarda, ışıma açısından bağımsız enerji üretebilmeleri sayesinde de binalara entegre edilmiş sistemlerde kullanılabilirler. Cam gibi sert yüzeylere uygulanabilmelerinin yanı sıra esnek ve hafif malzemeler şeklinde de üretilebilirler; cep telefonları,dizüstü bilgisayarlar gibi elektronik cihazlarda, taşınabilir şarj ünitelerinde ve giysilerde kullanılabilirler.

► Sürekli/yerinde üretim koşullarına uyarlanabilme:

Basit tekniklerle ve ekipmanlarla üretilmelerinin yanı sıra taşınabilir üretim hatlarının kullanılması sayesinde yerinde üretim modeline de uygundurlar.

► Düşük yoğunluklu uygulamalardır.

► Yapısal olarak sağlamdırlar ve daha hafif yapılardır.

DSSC’lerin Dezavantajları;

► Sıvı elektrolit kullanımı sıcaklık stabilitesi problemi yaratmaktadır.

► Sıvı elektrolit bileşiminin içeriğinde bulunan uçucu organik materyaller insan sağlığı ve doğa açısından tehdit oluşturmaktadır.