Boya duyarlı güneş hücrelerinde kullanılmak üzere doğal boya üretimi
Natural dye production for use in dye sensitized solar cells
Yazar: SÜMEYRA BEKLEVİÇUYLASI
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET BURÇİN PİŞKİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Enerji = Energy
Dizin: Doğal boyalar = Natural dyes ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Fosil yakıtların tükenmeye başladığı ve çevresel sorunların giderek arttığı günümüzde, yenilenebilir enerji teknolojileri oldukça önemli bir yere sahiptir. Bu anlamda en temel yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi güneştir ve güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinde kullanılan fotovoltaik hücreler (PV) hızla geliştirilmektedir. Boya duyarlı güneş pilleri (DSSCs) çevre dostu ve düşük maliyetli olması sebebiyle üzerinde en çok çalışılan sistemlerdendir.
Bu çalışmada DSSC sistemlerin yapıtaşlarından biri olan boya duyarlılaştırıcılar için dört farklı alternatif doğal boya kaynağı üzerinde karşılaştırmalı olarak çalışılmıştır. Böğürtlen (Rubus fructicosus), karadut (Morus nigra), yaban kirazı (Prunus serotina) ve frambuaz (Rubus ideaus) ön işlemden geçirilmesinin ardından 40°C'de 60 dakika ultrasonik banyoda ekstraksiyon işlemine tabi tutulmuştur. İşlem sonrasında elde edilen doğal boya ekstraktları vakumlu filtrasyon ve santrifüj ile içerisindeki meyve partiküllerinden arındırılmıştır. Boyaların, kırmızı renk veren en önemli doğal pigmentlerden biri olan antosiyaninler yönünden hangi pH değerinde daha zengin olduğunu belirleyebilmek amacıyla 5 farklı pH değerinde (1-2-3-4-4,5) çalışılmıştır. Hazırlanan boyaların UV-Visible Spektrofotometre ile analizi gerçekleştirilmiş, doğal boya ekstraktları hem pH yönünden hem de kendi içlerinde sahip oldukları pigment yoğunlukları yönünden karşılaştırılmıştır. Her boya için yoğun antosiyanin absorbsiyonunun 520 nm'de pH 1'de olduğu görülmüştür. Pigment yoğunluklarına göre ise boyalar çoktan aza yaban kirazı, böğürtlen, karadut ve frambuaz olarak sıralanabilmektedir. Aynı zaman da elde edilen doğal boyaların yapısal karakterizasyonu için Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR) ve Raman Spektroskopisi ile de analizleri gerçekleştirilmiştir.
Doğal boyaların DSSC sistemlerindeki TiO2 yarıiletkeni yüzeyindeki boyama ve güneş ışığı altındaki solma özelliklerinin incelenmesi için F-katkılı kalay oksit (FTO) ile kaplı transparan cam ve TiO2 karışımı hazırlanmıştır. FTO cam TiO2 kaplanmış ve kaplanan camın TiO2 kısmı ise pH 1'deki dört farklı doğal boya içerisinde 24 saat bekletilmiştir. Boyama özelliklerine göre doğal boyalar sırasıyla; yaban kirazı, böğürtlen, karadut ve frambuaz şeklinde sıralanmıştır. Karadut ve frambuaz oldukça düşük renkler verdiğinden TiO2 yüzeyinde yaklaşık 2 ay kalırken yaban kirazı ve böğürtlen ise yaklaşık 4 ay kalabilmiştir.
Sonuç olarak dört meyve arasında incelenen özellikler açısından en iyi sonucu yaban kirazı vermiştir ve DSSC sistemlerinde boya duyarlılaştırıcı olarak ümit veren bir malzemedir.

Abstract:
Nowadays, when fossil fuels are starting to run out and environmental problems are increasing, renewable energy technologies are so crucial. Accordingly, one of the most basic sources of renewable energy is sun and photovoltaic cells (PV) that are used to convert solar energy into electricity are being developed rapidly. Dye sensitized solar cells (DSSCs) are the most sought-after systems due to their environmental friendliness and low cost.
In this study, four different alternative natural dye sources were studied comparatively for dye sensitizers which are one of the key elements of DSSCs. Blackberries (Rubus fructicosus), black mulberries (Morus nigra), wild cherries (Prunus serotina) and raspberries (Rubus ideaus) were subjected to extraction at 40 ° C for 60 minutes in an ultrasonic bath after pretreatment. The natural dye extracts obtained after the process were vacuum filtered and centrifuged to remove the fruit particles. Five different pH values (1-2-3-4-4,5) were studied in order to determine which pH is richer in terms of anthocyanins, one of the most important natural pigments giving red color. The dyes prepared were analyzed by UV-VIS Spectrophotometer and the natural dye extracts were compared both in terms of pH and in terms of their pigment densities. It was found that the maximum absorption of the anthocyanins for each dye was at pH 1 at 520 nm. According to the pigment densities, the natural dyes can be ordered as wild cherries, blackberries, black raspberries and raspberries, respectively. At the same time, structural characterization of natural dyes was also analyzed by FT-IR and Raman spectroscopy. In order to examine the coloring of the natural dyes on the TiO2 semiconducting surface in DSSC systems and fading under sunlight, a transparent glass coated with F-doped tin oxide (FTO) and TiO2 mixture was prepared. The FTO glass was coated with TiO2 and the TiO2 portion of the coated glass was left in the four different natural dyes at pH 1 for 24 hours. According to the coloring characteristics, the natural dyes are lined up wild cherry, blackberry, black mulberry and raspberry, respectively. Since black mulberry and raspberry are very low in color, they stay on the TiO2 surface for about 2 month, while wild cherries and blackberries can stay for about 4 months.
Consequently, wild cherry gives the best results in terms of the properties examined among the four fruits and is a promising material as a dye sensitizer in DSSC systems.