Fotovoltaik sistemlerde kullanılan desenli ince camların kimyasal temperlenmesi
Chemical tempering of patterned thin glasses used in photovoltaic systems
Yazar: GÜLCAN TERZİ
Danışman: DOÇ. DR. MİRAY ÇELİKBİLEK ERSUNDU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinde kullanılan fotovoltaik sistemler, güneş panalleri ve kolektörleri olarak karşımıza çıkmaktadır. Fotovoltaik sistemlerin modül verimini arttırmak amacıyla, sistemin güneş panellerinde ve kolektörlerinde kullanılan kapak camlarının ışık geçirgenliği yükseltilir. Böylelikle güneş ışığının elektrik akımının oluşturulduğu tabakaya en az kayıpla ulaşması hedeflenir. Bu amaçla cam harmanındaki demir oksit miktarının azaltılması, cam yüzeyinin kırılma indisi camdan daha düşük bir malzeme ile kaplanması, cam yüzeyine çok katmanlı kaplamalar uygulanması, cam yüzeyine desen verilmesi ve cam kalınlığının inceltilmesi çalışmaları yapılmaktadır.
Günümüzde gelişen teknoloji ve artan estetik beklentiler ile birlikte cam malzemelerin kullanım alanı ve pazar talebi artmış olup bu artış cam malzemelerin kalınlığının inceltilmesi üzerine yapılan çalışmalara büyük önem kazandırmıştır. Camın, mekanik mukavemetinin yüksek olması, yüksek katma değerli ve geniş kullanım alanı için önemli bir parametredir. Dolayısıyla cam inceldikçe mekanik dayanım değerlerinin de korunması beklenmektedir. Bu nedenle, gelişen teknoloji ve estetik beklentilerin yanında cam malzemenin mekanik mukavemetinin arttırılması da cam teknolojisi açısından önemli bir konudur. Bu doğrultuda, ince camların mekanik mukavemetini geliştirmek amacıyla uygulanan bir yöntem olan kimyasal temperleme işlemi, camın cam geçiş sıcaklığının altında belirlenen bir sıcaklıkta ergimiş tuz banyosu içerisine daldırması sonucu meydana gelen iyon yer değişimi reaksiyonu ile gerçekleşir. 
Hafiflik ve yüksek mekanik mukavemet özelliklerini bir arada sağlayan kimyasal temperli ince camların sahip oldukları üstün özellikleri sayesinde fotovoltaik teknoloji sistemlerinde güneş hücresi panelinin kapak camı olarak kullanılması da cam üreticilerinin gündemine girmiştir. Bu tez çalışmasının amacı; fotovoltaik sistemlerde verim artışına yönelik düşük demir içeriğine sahip desenli ince camların kimyasal temperleme yöntemi ile mukavemetlendirilmesi, gerçekleştirilecek mekanik ve optik analizlerle desen, kalınlık, atmosferik koşullara dayanım, sıcaklık ve süre parametrelerinin kimyasal temperleme işlemine etkilerinin incelenmesi ve geliştirilen camların panel kapak camı olarak kullanım potansiyelinin incelenmesidir. Bu amaçla, farklı süre ve sıcaklıklarda kimyasal temperlenen 2 mm kalınlığa sahip desenli camların, temperleme işleminden önce ve sonra ağırlık ölçümleri alınarak yüzde ağırlık değişimleri ve difüzyon katsayıları hesaplanmıştır. İyon değişimi işlemi sonucu oluşan potasyum ve sodyum iyonlarının konsantrasyon derinlik profilleri SEM/EDX tekniği kullanılarak analiz edilmiş ve numunelerin mekanik mukavemeti halka üstü halka testi ile incelenerek Weibull diagramları oluşturulmuştur. Desenli camların kimyasal temperleme sonrasında elde edilen yüzey basma derinliği, aynı şartlarda temperlenmiş ve float teknolojisi ile üretilen eş kalınlıktaki desensiz ince düz camların yüzey basma gerilim derinliği değerleri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, kimyasal temperleme işleminin camın optik özelliklerine etkisinin incelenmesi amacıyla görünür bölgedeki geçirgenlik ve pusluluk değerleri ölçülmüş ve atmosferik koşullara karşı dayanımlarını tespit etmek amacıyla nem, tuz, asit ve aşındırma testleri uygulanmıştır. Tez kapsamında yapılan çalışmalar sonucunda, desenli ince camların mekanik mukavemetinin kimyasal temperleme yolu ile yaklaşık 3 kat arttırıldığı, optik özelliklerinin değişmediği ve güçlendirilen camların aşınma ve atmosferik etkilere karşı mukavemetlerini koruduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Nowadays, photovoltaic systems which are used to convert solar energy into electrical energy from renewable energy sources appear as solar panels and solar collectors. The light transmittance of the cover glasses used in solar panels and collectors can be increased to increase the module efficiency of photovoltaic systems. By this way, it is aimed that sunlight can reach the layer where the electric current is created with the least loss in order to increase light transmittance of the cover glass, studies are carried out to reduce the amount of iron oxide in the glass composition, reduce glass thickness, give pattern to surface, cover surface with a material having lower refractive index, apply multi-layer coatings to surface. 
Nowadays, usage area and market demand of glass materials have increased with developing technology and increasing aesthetic expectations and this increasing demand has given great importance to the studies on reducing of glass thickness. In order to obtain a high value-added product and provide a wide range area of use, high mechanical strength is an important parameter for glass. Therefore, as the glass gets thinner, its mechanical strength value must be preserved. Within this aim, chemical tempering, which is an ion exchange reaction that is occurred by immersing the glass in a molten salt bath at under the glass transition temperature, is applied to improve the mechanical strength of thin glasses.
Thanks to the superior properties of chemically tempered thin glasses, which combine lightness and high mechanical strength, the use of solar cell panels as cover glass in photovoltaic technology systems has also taken attention glass manufacturers. The aim of this thesis is; Strengthening the patterned thin glasses with low iron content by chemical tempering process in order to increase efficiency in photovoltaic systems, examining the effects of pattern, thickness, temperature and time parameters on chemical tempering process with mechanical and optical analyzes and evaluating the use potential of developed glasses as a cover glass for solar panels. For this purpose, weight measurements of 2 mm thickness patterned glasses, which were subjected to chemical tempering process at different temperature and for different durations, were taken before and after the tempering process. After that, percentage weight changes and diffusion coefficients of the glasses were calculated. The concentration depth profiles of potassium and sodium ions, as a result of ion exchange process, were analyzed by using the SEM / EDX technique. Weibull diagrams were created by examining the mechanical strength of the samples with the ring-on-ring test. Surface compression depth obtained after chemical tempering of patterned glasses was compared with surface compression depth values of thin flat glasses of equal thickness, which were tempered under the same conditions and produced with float technology. In order to examine the effect of chemical tempering on the optical properties of the glass, the light transmittance and haze values in the visible region were measured. In addition, moisture, salt, acid and abrasion tests were applied to determine their resistance to atmospheric conditions. As a result of the studies conducted within the scope of the thesis, it was determined that the mechanical strength of patterned thin glasses was increased around 3 times by chemical tempering. Optical properties and the resistance against mechanical abrasion and atmospheric effects of glasses were preserved as before tempering process.