Ttitanyum anodizasyonu yöntemi ile boyar maddeli güneş pili hücresi üretimi ve verim karakterizasyonu
Production and efficiency characterization of dye sensitized solar cell by titanium anodization method
Yazar: EREN SEÇKİN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Güneş pilleri = Solar cells ; Nano yapı = Nano structure ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Nanotüp = Nanotube ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide

Özet:
Enerji temininin zorlaşmakta ve aynı oranda ekonomik açıdan çeşitli zorlukların ön plana çıkmakta olduğu günümüzde, alternatif enerji kaynaklarına erişim ve kullanımının yaygınlaştırılması küresel bir önem arz etmektedir. Yenilenebilir enerji sistemlerinin en öncelikli dallarından biri de güneş enerjisidir. Dünya güneş pili üretimi her geçen yıl artmakta ve kullanımı yaygınlaşmasına rağmen halen yüksek maliyetli olmaktadır. Güneş pillerini üç ana grup altında toplamak mümkündür. Kristal silisyum güneş pilleri I. nesil güneş pillerinden olup, halen güneş pili piyasasının yaklaşık yüzde 90'ına hakim bulunmaktadırlar. Bununla birlikte, yeni güneş teknolojilerinin gelişmesiyle, bu oran her sene gerilemektedir. İnce film güneş pilleri II. nesil güneş pilleri olarak adlandırılırlar. Piyasa payları şuan yüzde 10 dolaylarında olup her geçen sene artmaktadır. Boyar maddeli güneş pilleri (Dye sensitized solar cells) ve polimer tabanlı güneş pilleri henüz ticarileşmemiş III. nesil güneş pillerinin en önemli örnekleridir. Ticarileştirme çalışmaları, üzerlerine yapılan sayısız akademik ve endüstriyel çalışma ile devam etmektedir.Boyar maddeli elektrokimyasal güneş pilleri 1991 yılında Michael Gratzel tarafından bulunmuştur ve o günden bu yana ciddi bir gelişim göstermiştir. Üretim sürecinin kolay, üretim maliyetinin kristal silisyum teknolojisine göre oldukça düşük olması, yıllar içinde bu teknolojiye olan ilgiyi daha da arttırmıştır. Halen, önemli üniversiteler ile birlikte Sony ve Sharp gibi dünya devi firmaların üzerinde araştırma geliştirme çalışmaları yürüttükleri bu teknolojinin, 4-5 sene gibi bir süreçte piyasaya çıkacağı konuşulmaktadır. Laboratuar şartlarında ortalama 0,25cm2'lik hücrelerle %11,1 verim değerlerine ulaşılmıştır. Endüstriyel olarak ise, Nisan 2009'da Sony %8,4 alt-modül verimi açıklamıştır.Boyar maddeli elektrokimyasal güneş pilleri iki elektrot arasında hapsedilmiş redoks elektrolitinden oluşmaktadır. TiO2 anot elektrotu, yüzeyi ışığa duyarlı boya molekülleri ile kaplanmış olarak bulunmaktadır. TiO2'nin yüksek yüzey alanına sahip olması pilin verimi açısından en kritik parametredir. Geleneksel boyar maddeli güneş pillerinde, TiO2 matris nanopartiküllerin sinterlenmesi yoluyla hazırlanarak, yüksek yüzey alanı elde edilmektedir. Bu yönteme alternatif olarak, sisteminin en önemli problemleri olan elektron saçılması ve elektrolitin yapı içerisine yayınma sorunlarına çözüm getirmek amacıyla TiO2 nanotüplerin pilin anot elektrotu olarak kullanılması gündeme gelmiştir. İletken cam üzerine kaplanmış titanyumun ve titanyum plakaların anodizasyonu sonucu elde edilen TiO2 nanotüpler boyar maddeli güneş pili anodu olarak denenmiştir. Cam üzerinde büyütülen nanotüpler ön yüzeyden aydınlatılmış, titanyum plakalar üzerinde büyütülen nanotüpler pilin arka yüzeylerinden aydınlatılmıştır. Ön yüzeyden aydınlatılmış hücrelerde en fazla %4,7, arka yüzeyden aydınlatılan hücrelerde en fazla % 7 verim değerlerine ulaşılmıştır.Titanyum anodizasyonu yöntemi kullanarak boyar maddeli güneş pili üretimi literatürde yeterli çalışılmamış bir konu olarak göze çarpmaktadır. Üretilen ve güneş pili hücresi yapımında kullanılan TiO2 nanotüp filmleri, yeterli düzene ve düzgünlüğe sahip değildir.Bu çalışmanın amacı; anodizasyon parametrelerini optimize ederek, titanyum plakalar üzerinde oldukça düzenli dizilmiş, düzgün tüplerden oluşan ve yüzeyleri tamamen açık bir TiO2 filmi büyütmek ve farklı kalınlıktaki TiO2 filmlerinin güneş pili hücresi verimine etkisini gözlemlemektir. Çalışma esnasında, titanyum için kimyasal parlatma çözeltisi geliştirilmiş ve yüzey pürüzlülüğünün nanotüp filmi morfolojisine etkisi incelenmiştir.

Abstract:
Today, use of alternative energy sources has global importance due to energy demand is getting higher and it is very well known that fossil energy resources cause serious environmental problems like global climate change which is a result of CO2 emissions during energy production. One of the most important branch of the renewable energy systems is solar energy. World solar cell production has been increasing each year and the cost is still high despite widespread use. It is possible to group solar cells under three main groups. Crystalline silicon solar photovoltaic cells are the first generation solar cells and are still dominating approximately 90 percent of the solar cell market. However, with the development of new solar technologies, this ratio is declining each year. Thin-film solar cells are called as second-generation solar cells. The market share which is now around 10 percent increases every year. Dye sensitized solar cells and polymer-based solar cells, which have not become commercial yet, are the most important examples of third-generation solar cells. Commercialization efforts on these have been continuing with the numerous academic and industrial works.Dye sensitized electrochemical solar cells were found in 1991 by Michael Gratzel and since then has shown a significant progress. With its simple production process, relatively low production costs compared to crystalline silicon technologies, the interest in this technology have increased even further over the years.Currently, the world's giant firms such as Sony and Sharp conducting researches and development activities in conjunction with major universities and it has been foreseen this technology will be released in a period of 4 or 5 years. In laboratory conditions, using 0.25cm2 cells in average, efficiencies of 11.1% were reached. Industrially, Sony has announced a sub-module efficiency of 8.4% in April 2009.Dye sensitized electrochemical solar cells consist of redox electrolyte confined between two electrodes. The surface of TiO2 anode electrode is found covered with light-sensitive dye molecules. The high surface area TiO2 is the most critical parameter in terms of cell efficiency. For conventional dye cells, TiO2 matrix is being prepared by sintering nanoparticles and high surface area is being obtained. As an alternative to this method in order to bring solutions for the most important problems of the system which are electron scattering and penetration of electrolyte into the structure, the use of TiO2 nanotubes as the cell anode electrode has come into question. TiO2 nanotubes, obtained by anodization of titanium substrates and titanium coated conductive glass were tested as anode of dye sensitized solar cell. Nanotubes grown on glass are illuminated from the front surface and nanotubes grown on titanium plates are illuminated from the rear surfaces of the cell. The cells that were illuminated from the front surface reached a maximum of 4.7% and the cells that were illuminated from the rear surface have reached a maximum efficiency of 7%.Production of dye sensitized solar cells titanium anodization method stands out as an issue that is underworked in the early studies. TiO2 nanotubes that are produced and being used in the solar cells do not have enough order and regularity.The purpose of this study is; by optimizing anodization parameters to grow a highly ordered TiO2 nanotube film consisting of smooth tubes on titanium substrates and those have completely open tube tops and to observe the effect on the efficiency of the TiO2 films with various thicknesses. During the study, chemical polishing solution has been developed for titanium and the effect of surface roughness on the nanotube film morphology has been investigated.