Doğal boyayla duyarlılaştırılmış güneş pili üretimi ve yapının sensör karakteristiklerinin belirlenmesi
Natural dye sensitized solar cell production and determination of photodetector characteristics
Yazar: MÜCELLA ÖZBAY KARAKUŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ORHAN ER ; PROF. DR. HİDAYET ÇETİN
Bozok Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışmasında boyayla duyarlılaştırılmış fotoaktif kimyasal dönüşüm hücrelerinin güneş pili özellikleri ve ışık dedektör özellikleri incelenmiştir. Boyayla duyarlılaştırılmış güneş pili (DSSC) yapıları aynı cins fakat farklı tür Pelargonium Grandiflorum ve Pelargonium Hortorum bitkilerinin doğal boyaları kullanılarak üretilmiştir. Doğal boyalarla üretilen DSSC yapıları güneş pili araştırmalarında yakın tarihli bir geçmişe sahiptir ve çevreci malzemelerle güneş pili üretimini hedeflemektedir. Aynı cins fakat farklı türde bitkilerin seçilme nedeni bitki içeriklerinin GC-MS analiziyle mukayese edilebilir sonuçlar vermesi ve doğal boya içerisinde güneş pili verimine etki eden bileşenleri saptayabilmektedir. Yapılan GC-MS analizleri ve güneş pili verimlilikleri dikkate alındığında, GC-MS analizleri sonucu ortaya çıkan galik asitin verim arttırıcı bir madde olduğu saptanmıştır. Tek diyot ve çift diyot modeliyle güneş pili karakteristikleri incelendiğinde galik asitin özellikle fotoaktif tabakadaki seri direnci önemli ölçüde azalttığı, sızıntı akımı iyileştirdiği, 1'e daha yakın idealite değerlerine sahip DSSC üretimine neden olduğu, tüm bu parametrelerin de güneş pili verimini olumlu yönde geliştirdiği gözlenmiştir.
Boyayla duyarlılaştırılmış yapıların bir fotodedektör olarak kullanımı yine bu tezde yapılan deneysel araştırmalarla incelenmiştir. Fotodedektör incelemeleri ticari olarak satılan tek-kristal Si (Newport 818-R) fotodedektörle mukayeseli olarak yapılmıştır. 34-2.3 W/m2 aralığında nötral yoğunluk filtreleri yardımıyla fototepki ölçümleri yapıldığında DSSC fotodedektörün yüksek kalite c-Si fotodedektöre oranla ortalama 10 kat daha fazla çıkış gücü ve daha yüksek dolum faktörü sağladığı, özellikle düşük ışık şiddetleri için DSSC fotodedektörün üstün özelliklere sahip olduğu gözlenmiştir. Üretilen fotodedektörlerin sıcaklık kararlılıkları ayrıca 298-373 oK aralığında incelenmiştir. Fotodedektörlerde incelenen önemli parametrelerden biri de tepki süresidir. Doğal boya kullanılarak üretilmiş DSSC'lerin tepki süreleri geçici fotoakım ve fotovoltaj yöntemleriyle incelenmiş, DSSC fotodedektörlerin aslen ışıkla etkileştiği ilk birkaç nanosaniye içerisinde bir atım gerçekleştirdiği ancak üretilen atımı ~ 0.1 s civarında sürekli bir akıma (d.c.) dönüştürebildiği gözlenmiştir. Nanosaniye mertebesinde atımın algılanması sonrası 0.1 s mertebesindeki d.c. akım üretimindeki gecikme fotokimyasal hücredeki redoks tepkimelerinin, katalitik aktivite işlemlerinin ve bu esnada sıvı elektrolit içerisinde elektron taşınma hızının toplam sürelerine atfedilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Güneş Pili, Fotodedektör, Tek Diyot Modeli, Çift Diyot Modeli.

Abstract:
In this thesis, both solar cell properties and light detector properties of dye-sensitized photoactive chemical conversion cells have been examined. The structure of dye-sensitized solar cells (DSSC) have been produced by using natural dyes of the same genus but different species Pelargonium Grandiflorum and Pelargonium Hortorum plants. DSSC structures produced with the natural dyes have a recent history in solar cell research and that aims to produce solar cells with environment-friendly materials. The reasons for choosing plants of the same genus but different species are likely to give comparable results with the GC-MS analysis of the plant content and determine the components which affect solar cell yield in natural dye. When GC-MS analyzes and solar cell efficiencies are taken into account, the findings from GC-MS analysis reveal that the gallic acid is a substance of yield enhancer. When the solar cell characteristics are examined by single diode and double diode model, it is observed that gallic acid significantly reduces the series resistance in the photoactive layer, improves the leakage current, ensures the ideality factor of the DSSC about to 1 ideal values and all these parameters have also improved the efficiency of the solar cell.
The uses of dye sensitized structures as photodetector have also been examined with the experimental research in this thesis. The photodetector examinations have been performed by comparison with a commercially single-crystal Si (Newport 818-R) photodetector. When the photoreaction measurement is performed with the help of neutral density filters in the range of 34-2.3 W/m2, it has been observed that DSSC photodetector provides about 10 times more output power and higher fill factor compared to high quality c-Si photodetector and the DSSC photodetector has superior characteristics especially for low light intensities. The temperature stability of the produced photodetectors are also examined in the range of 298-373 oK. Another important parameter for photodetectors is the response time. The response times of the DSSCs which have been produced using natural dyes, are examined by transient photocurrent and photovoltage methods. It has been observed that DSSC photodetectors perform a pulse within the first few nanoseconds that originally interacts with light, but it can convert the produced pulse to a continuous flow (d.c.) around ~ 0.1 s. After the perception of the pulse in the nanosecond range, the delay in the d.c. current production in 0.1 s ranking is attributed to the total duration of the redox reactions in the photochemical cell, the catalytic activity processes and the rate of electron transport within the liquid electrolyte during this time.
Keywords: Solar Cell, Photodetector, Single Diode Model, Double Diode Model.