Anasayfa / Alternatif Enerji / Titanyum Dioksit ve Boya Esaslı Güneş Pilleri

Titanyum Dioksit ve Boya Esaslı Güneş Pilleri

güneş pili ev

Son yıllarda pil teknolojilerinde ve alternatif enerji arayışlarında teknolojik atılımlar gerçekleşiyor. Günümüzde neredeyse her şey elektrikle çalıştığından, daha verimli pillere gereksinim artıyor. Bu konuda en temiz alternatif enerjilerden biri güneş enerjisi gibi gözüküyor.

Güneş pili teknolojisi henüz  çok yeni olmasına rağmen bu konudaki çalışmalar 1830’ lu yıllara kadar uzanır.
İlk çalışmalar sadece deneysel bazda yürütülürken 1970’ler den sonra, uzun çalışmalar sunucu bu pillerin verimleri % 1 ila 2  den  (pilin türüne göre )  % 30 ‘a kadar çıkartılarak bugünkü ticari konuma getirilmiştir. Son yıllarda yapılan farklı çalışmalarda bazı prototiplerde bu verim % 50’ye yaklaşmıştır.

Güneş pilleri,  nano   teknolojiden yararlanılarak oluşturulan yarı iletken  n  ve  p  tipi elektrotların üst, üste konumlandırılması ile oluşturulurlar.
Güneşten gelen fotonlarn  tipi elektroda değer ve ondan bir elektron koparır. Yerinden kopan bu elektron dış devre ve direnç üzerinden geçerek  p tipi elektroda ulaşır. P tipi elektrondan da tekrar n tipi elektroda geçer. Fotonlar bu şekilde elektron koparttıkça bir elektron döngüsü ve elektriksel akım (I.) ve gerilim (V.) oluştururlar.

güneş pili şeması

Güneş Pili Yapımında Kullanılan Yarı İletkenler

Güneş pili yapımında birçok yarı iletken kullanılmaktadır . Bunlardan bazılarını şu şekilde sıralamak mümkün.
1- Galyum Arsenit
2- Silisyum
3- Bakır Oksit
4- İndiyum
5- Titanyum Dioksit
6- Çinko Oksit.
Güneşten dünyamıza  m2’ye  saatte  yaklaşık  1000 Watt’lık enerji düşmektedir. Biz bunun sadece  % 30’ nu elektrik enerjisine dönüştürebilmekteyiz.

Galyum Arsenit Güneş Pilleri halen en yüksek verimle (%30) birinci sırada dır. Bu pillerin  üretimi hem ileri teknoloji gerektirmekte hem de çok pahalıya mal olmaktadır. NASA bu pilleri uzay teknolojisinde kullanmaktadır.

Galyum Arsenit’ten yapılan güneş pillerinden hemen sonra Saf Silisyum (Silikon) dan yapılan Mono Kristal Silisyum Güneş Pilleri gelir ve verimleri yaklaşık % 22 dir.

Bu pillerin de, üretimleri hem çok zor hem de maliyetleri bir hayli yüksektir. Mono kristal silisyum güneş pilinin maliyeti takriben Watt başına 4.5 $ dır.

Titanyum Dioksit; sentetik beyaz bir pigment olup, yarı iletken özelliğe sahip, metal oksit bir bileşiktir.

R_5566_tio2

Yüksek ısıya dayanıklı, ışığa karşı duyarlıdır. Fotovoltaik ve fotokatalitik özelliği olan  ditanyum dioksit, ilaç sanayinden kozmetiğe, boyar ana ham maddesinden, yiyecek maddelerindeki kullanım alanıyla geniş bir yelpazeye sahiptir.

Titanyum Dioksit’in bilinen 3 kristal yapısı vardır bunlar ;

1- Anataz.
2- Rutil.
3- Brokit.

TiO2 Tetragonal Kristal  Yapı

Organik Güneş Pilinin (OGP) üretiminde anataz form kullanıma  daha uygundur. Diğer  iki  kristal yapılar daha farklı amaçlar için kullanılmaktadır.

OGP yapımında kullanılan en yaygın ve kolay prosedürü İsviçre’de  Ecole Polytechnique de Lausanne’da bulunan Alman asıllı Prof. Dr. Michael  GRATZEL’in uyguladığı metottur.  Gratzel bu pili ilk olarak bitki yapraklarının fotosentez özelliğini taklit ederek (1991) keşfetmiştir.

Ülkemizde de bu alanda ciddi ve hatırı sayılır çalışmalar yapılmaktadır. Bu alanda dünyaca ünlü Ord. Prof. Dr. Niyazi Serdar SARIÇİFTÇİ ve EGE Üniversitesinden Prof. Dr. Sıddık İÇLİ bu çalışmaların belli başlı isimlerindendir.

Organik güneş pilleri; bir yüzeyi İTO, ATO, veya FTO kaplı   yarı iletken iki adet cam tabaka arasına pasta biçiminde kat, kat inşa edilen kimyasallardan  oluşur,  diye edebiliriz.

solar cell

Bu verdiğimiz şekil örneği bize OGP içinde meydana gelen basit bir elektron akışını göstermektedir.
Bir de güneş gözemizde(cell) oluşan kimyasal ve fiziksel reaksiyon ve hareketlilik vardır. Bu kimyasal reaksiyon ve fiziksel aktivite aşağıdaki şekildeki gibi oluşmaktadır.

—(k3 ) Valans bandından, yasak boşluk bandını geçerek iletkenlik bandına, oradan (akseptör) TiO2 nano kristal örgüye enjekte olup, oradan da karanlık reaksiyon dediğimiz ve elektronun  arka planda bulunan redoks çiftine direk geçmesidir. Bu arzu edilmeyen bir reaksiyon ve elektron kaybıdır.
—(k4 ) Valans bandından, yasak boşluk bandını geçerek iletkenlik bandına ulaşan, fakat henüz TiO2 nano kristal örgüye enjekte olamadan yeniden valans bandına dönen elektron geçişidir. Bu arzu edilmeyen bir reaksiyon ve elektron kaybıdır.

—(k5) Elektron vererek katyon durumuna geçen boya molekülünün geri plandaki ( lojistik destek sağlayan ) redoks çiftinden bir elektron alarak nötrülize olan boya molekülünün indirgenmesiyle oluşan elektron akışıdır. Arzu edilen ve OGP hücresinde olması istenen bir reaksiyondur.

Yukarıda güneş pilinin çalışma prensibini anlatırken Nano Titanyum Dioksit üzerine dökülen özel hassaslaştırılmış (sensitizer dye) boyadan söz etmiştik. Dilerseniz bu konuyu biraz açalım.
Anot elektrot hazırlanıp, bittikten sonra bu elektrotun üzerine üç değişik boya uygulanabilir. Bunlar; metal kompleksi inorganik piridin, organik indolin ve doğal antosiyanin pigment türevleridir.

Ben size; eldesi çok ucuz sentezi ve ekstraksiyonu  kolay olan, antosiyanin boyalardan biraz bahsetmek istiyorum.
Antosiyanin boya; renkli tüm çiçek, meyve, yaprak ve ağaç kabuklardan elde edilebilir. Bahsettiğim bitkilerden biri seçilir, önce robotla iyice ezilerek saflaştırılır. Homojenleştirilen marmelat asitlerden (asetik asit / hidroklorik asit / sitrik asit), saf su, ve alkol, gibi kimyasallarla belli oranlarda katkılandırılır.

Asetik Asit (Beyaz Sirke-Organik zayıf asit)     =  CH3COOH
Sitrik Asit (Limon Tuzu-Organik zayıf asit)       =  C6H8O7

Hidroklorik Asit (Tuz Ruhu-İnorganik güçlü asit) =  HCI

Marmelat mikron boyutta süzülerek şurup haline getirilir. Bu şurup ısıl, damıtma ve vakum işlemlerinden geçirildikten sonra saf antosiyanin boya elde edilir.

Aşağıdaki resimde yaptığım çalışmalara ait bir örnek görülüyor. Bu hücrelerde kullanılan iletken camlar, TiO2 pasta, katot/anot elektrot, elektrolit ve hassas antosiyanin boya ekstraksiyonu, gibi işlemlerin tamamı, kendi sentez ve çalışmalarımdan oluşmaktadır.

güneş pili prototip

Sonuç olarak güneş piliyle elde edilen potansiyel değeri (yaklaşık 500 mV), olan birçok kimyasal tepkimeyi gerçekleştirebilecek büyüklüktedir.

 

Yazı ve çalışma Ömer Çetin Tarafından Hazırlanmıştır.

Ömer Çetin İletişim Mail : omar_ceto_1965@hotmail.com

 

Facebook Yorumları

Hakkında Oğuz Sezgin

Bir bilim sever ve kimyager olarak, internetteki eksikliği görerek Gerçek Bilim’i 2012'de kurdum. Bu sitede gördüğünüz pek çok bilim ve teknoloji haberini oldukça ciddi kaynaklardan toplayarak sizin için araştırıyor, çeviriyor ve geliştiriyorum. Gerçek Bilim'deki diğer yazarlar ve ben, her gün baş döndürücü şekilde gelişen bilim ve teknoloji haberlerini size aktarmaktan kıvanç duyarız.

İLGİNİZİ ÇEKEBİLİR

Kimyasal Simülasyonlar Yapay Zeka İle Hızlanacak

Yapay zekâ araştırmalarında yaşanan büyük gelişmeler, son 10 yılda bu alanda geniş çaplı büyüleyici çalışmalara …

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

*