12
ORGANİK TABANLI GÜNEŞ HÜCRELERİNİN YAPISAL VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASI Öğr.Grv.Canan AKAY 1 Prof. Dr. Osman YILDIRIM 2 1 İstanbul Üniversitesi – Türkiye 2 İstanbul AREL Üniversitesi – Türkiye ÖZET Her geçen gün enerjiye duyulan ihtiyacın artması ile fosil kökenli enerji kaynakları hızla azalmaktadır. Dolayısıyla yenilenebilir enerji kaynaklarına olan talep de günden güne artış göstermektedir. Ayrıca güneş panellerinin gürültüsüz olması , toksik olmaması ve bunun yanı sıra sera gazı yayımı olmaması ve bakım gerektirmemesi gi bi avantajlar tercih edilme sebeplerindendir. Enerji ihtiyacının ucuz ve kolay üretilebilmesi konusunda yapılan araştırmalarda organik güneş hücreleri dikkatleri üzerine çekmeyi başarmış ve bu hücre tipleri üzerindeki çalışmalar son yıllarda hız kazanmıştır. Bu çalışmada fotovoltaik hücre teknolojisinden bahsedilerek,, organik güneş hücrelerinin fotovoltaik hücre teknolojisindeki yeri ve önemi üzerinde durulmuştur. Ayrıca organik cre teknolojisinin diğer fotovoltaik teknolojilere oranla daha düşük maliyetle elde edildiği bilgisine yer verilmiştir. Bunun yanı sıra son dönemde büyük ilgi gören organik güneş hücrelerinin yapısal ve fotovoltaik özellikleri üzerinde durularak, sağladıkları avantajlara ve üretimleri esnasında karşılaşılan sorunlara değinilmiştir. 1.GİRİŞ Güneş enerjisi sonsuz bir enerji kaynağı olmasının yanı sıra elektrik enerjisinin elde edilmesinde doğadaki enerji çevrimi için en uygun bir yoldur. Güneş hücrelerinin bir araya gelmesiyle elde edilen güneş pilleri ile elektrik enerjisi son kullanıcıların yakınında üretilebilmekte bu sayede taşıma kayıpları ve masrafları ortadan kalkmaktadır. Güneş hücreleri ile enerji eldesi gürültüsüz, toksik olmayan, bakım gerektirmeyen bir teknolojidir. Organik güneş hücreleri ise son yıllarda rağbet gören bir güneş hücresi çeşididir. Organik güneş hücrelerinin inorganik güneş hücrelerine nazaran kolay üretilebilir olması ayrıca düşük maliyetli ve esnek yapısı sayesinde geniş kullanım alanına sahip olması gibi avantajlar son yıllarda bu hücre tipi üzerinde araştırmaların yoğunlaşmasına sebep olmuştur. Akman vd.(2013) çalışmalarında organik güneş pillerinin, mevcut güneş pilleri içindeki yeri ve öneminden bahsederek,organik güneş pillerinin çalışma prensibini ve yapısına göre organik güneş pillerini incelemişlerdir.

VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

  • Upload
    others

  • View
    9

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

ORGANİK TABANLI GÜNEŞ HÜCRELERİNİN YAPISAL VE

FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASI

Öğr.Grv.Canan AKAY1

Prof. Dr. Osman YILDIRIM2

1 İstanbul Üniversitesi – Türkiye

2 İstanbul AREL Üniversitesi – Türkiye

ÖZET

Her geçen gün enerjiye duyulan ihtiyacın artması ile fosil kökenli enerji kaynakları hızla

azalmaktadır. Dolayısıyla yenilenebilir enerji kaynaklarına olan talep de günden güne

artış göstermektedir. Ayrıca güneş panellerinin gürültüsüz olması , toksik olmaması ve

bunun yanı sıra sera gazı yayımı olmaması ve bakım gerektirmemesi gibi avantajlar

tercih edilme sebeplerindendir. Enerji ihtiyacının ucuz ve kolay üretilebilmesi

konusunda yapılan araştırmalarda organik güneş hücreleri dikkatleri üzerine çekmeyi

başarmış ve bu hücre tipleri üzerindeki çalışmalar son yıllarda hız kazanmıştır. Bu

çalışmada fotovoltaik hücre teknolojisinden bahsedilerek,, organik güneş hücrelerinin

fotovoltaik hücre teknolojisindeki yeri ve önemi üzerinde durulmuştur. Ayrıca organik

hücre teknolojisinin diğer fotovoltaik teknolojilere oranla daha düşük maliyetle elde

edildiği bilgisine yer verilmiştir. Bunun yanı sıra son dönemde büyük ilgi gören organik

güneş hücrelerinin yapısal ve fotovoltaik özellikleri üzerinde durularak, sağladıkları

avantajlara ve üretimleri esnasında karşılaşılan sorunlara değinilmiştir.

1.GİRİŞ

Güneş enerjisi sonsuz bir enerji kaynağı olmasının yanı sıra elektrik enerjisinin elde

edilmesinde doğadaki enerji çevrimi için en uygun bir yoldur. Güneş hücrelerinin bir

araya gelmesiyle elde edilen güneş pilleri ile elektrik enerjisi son kullanıcıların

yakınında üretilebilmekte bu sayede taşıma kayıpları ve masrafları ortadan

kalkmaktadır. Güneş hücreleri ile enerji eldesi gürültüsüz, toksik olmayan, bakım

gerektirmeyen bir teknolojidir. Organik güneş hücreleri ise son yıllarda rağbet gören bir

güneş hücresi çeşididir. Organik güneş hücrelerinin inorganik güneş hücrelerine nazaran

kolay üretilebilir olması ayrıca düşük maliyetli ve esnek yapısı sayesinde geniş kullanım

alanına sahip olması gibi avantajlar son yıllarda bu hücre tipi üzerinde araştırmaların

yoğunlaşmasına sebep olmuştur.

Akman vd.(2013) çalışmalarında organik güneş pillerinin, mevcut güneş pilleri içindeki

yeri ve öneminden bahsederek,organik güneş pillerinin çalışma prensibini ve yapısına

göre organik güneş pillerini incelemişlerdir.

Page 2: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

Güneş vd.(2007) gerçekleştirmiş oldukları çalışmada konjüge polimer tabanlı organik

solar hücrelerinin hazırlanma teknikleri ve çalışma prensiplerini incelemişlerdir.Ayrıca

organik fotovoltaik aygıtların mimari yapılarını inceleyerek, akım gerilim eğrileri ve

kararlılık durumlarını incelemişlerdir.Bunun yanısıra konjüge polimer olarak

isimlendirilen fullerene tabanlı solar hücre yapılarını incelemişlerdir.

Zafer (2006) tez çalışmasında, organik boya esaslı nano-kristal yapılı incefilm güneş

pillerinde ve organik güneş pillerinde (plastik güneş pillerinde) kullanılabilecek yeni

perilen türevi organik boyaların ve rutenyum bipiridil türevi organometalik boyaların

elektrokimyasal ve fotovoltaik özellikleri incelemiştir.

Bu çalışmada ise öncelikli olarak fotovoltaik hücre teknolojilerinden bahsedilerek

üretimleri sırasında kullanılan malzeme türlerine göre ve teknolojik gelişimlerine göre

nasıl sınıflandırıldıklarına değinilmiştir. Bununla beraber organik güneş hücrelerinin

fotovoltaik hücre teknolojisindeki yeri ve öneminden bahsedilmiştir. Ayrıca organik

hücre çeşitlerini oluşturan organik boya tabanlı güneş hücreleri ile yarıiletken polimer

tabanlı organik güneş hücrelerinin yapısal özellikleri, çalışma prensibleri ve fotovoltaik

özellikleri anlatılmıştır. Bunların yanı sıra organik hücrelerin sağladıkları avantaj ve

dezavantajlar hakkında bilgi verilmiştir.

2.FOTOVOLTAİK HÜCRE TEKNOLOJİLERİ

Tek bir güneş hücresinden elde edilen verim oldukça düşük olduğundan fotovoltaik

güneş panelleri güneş hücrelerinin bir araya gelmesiyle elde edilmekte, güneş ışığını

doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmektedirler. Dolayısıyla güneş panellerinin en

küçük yapı taşı olan güneş hücrelerinin yapısal ve fotovoltaik özellikleri güneş

panellerinden elde edilen verim açısından büyük önem arzetmektedir. Fotovoltaik hücre

tiplerini yapımında kullanılan malzeme türlerine göre aşağıdaki şekilde

sınıflandırabiliriz (Sayın ve Koç 2011).

I. Kristal Silisyum PV Hücreler

Silisyum maddesi yarı iletken bir madde olup uzun ömürlü bir yapıya

sahiptir.Bu yapısı sayesinde kararlılığını, yapısal ve elektriksel özelliklerini uzun

süre korumaktadır. Tek kristal, çok kristal ve ribbon silisyum kristal olmak üzere

3 farklı çeşidi bulunan silisyum hücreler en çok tercih edilen hücre çeşitleridir

(Sarıtaş 1988).

II. İnce Film Güneş Pilleri

İnce film güneş hücreleri daha ucuz maliyetle üretilebilmekte ve verimleri

%18’lere kadar çıkmaktadır. Fakat uzun süre kararlılığını koruyamamaktadır.

Page 3: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

İnce film teknolojisinde kullanılan başlıca malzemeler amorf silisyum,

kadmiyum tellür ve bakır indiyum-diselenid’dir (Oktik 2001).

III. Grup III-V Bileşik PV Hücreleri

Periyodik tablonun üçüncü ve beşinci grubundan elementlerin bir araya

gelmesiyle oluşan yarı iletken bileşiklerin soğurma özelliği çok

yüksektir.Verimleri %24 seviylerinde olmasına karşın maliyetleri çok yüksektir.

Bu sebeple verimin maliyetten daha önemli olduğu kritik araştırmalarda tercih

edilmektedir. (Oktik 2001).

IV. Çok Eklemli (Tandem) PV Hücreler

Güneş ışınımından maksimum seviyede faydalanmak için farklı spektrumları

soğurabilen çeşitli malzemeler kullanılarak çok eklemli (tandem) PV hücreler

elde edilmiştir. (Kazmerski 1997). Bu hücre tiplerinde en üst katmanda bulunan

malzeme güneş ışınımından maksimum enerji soğurmaktadır.En üst katmanın

yakalaymadığı spektrumdaki ışınımı ise bir alt katmandaki malzeme

soğurmaktadır.

V. Organik Güneş Hücreleri

İnorganik güneş hücrelerinde verim her ne kadar yüksek olsa da üretim

maliyetleri oldukça yüksektir.Bu sebeple daha düşük maliyetlerle elde edilebilen

organik güneş hücreleri üzerindeki çalışmalar son dönemlerde oldukça hız

kazanmış ve buna bağlı olarak oaganik güneş hücrelerinin verimleri de gün

geçtikçe artış göstermiştir.Güneş hücresi yapımında kullanılan malzemeler

iletken polimerleri ,boyaları, pigmentleri ve sıvı kristalleri içermekle birlikte

foto fiziksel özellikleri en iyi bilinenler iletken polimerlerdir. (Sariciftci ve

Heeger 1992).

Güneş hücrelerini kullanılan malzeme türlerine göre sınıflandırmanın yanı sıra

fotovoltaik hücreleri teknolojik gelişimlerine göre de sınıflandırma yapmak

mümkündür.

Birinci Nesil (kristal silisyum, galyum arsenik güneş hücreleri)

İkinci Nesil (ince filmler: CuInSe2 (Bakır İndiyum Diselenid), CdTe

(Kadmiyum Tellür), a-Si (Amorf Silisyum) güneş hücreleri)

Üçüncü Nesil (organik boya duyarlı güneş hücreleri, yarıiletken polimer yapılı

organik güneş hücreleri) olmak üzere üç başlık altında inceleyebiliriz.

Page 4: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

Bu bağlamda 3.nesil güneş hücreleri grubunda yer alan organik güneş hücrelerinin en

düşük maliyetle elde edildiği Tablo 1’ de görülmektedir (Akman vd. 2013).

Tablo 2.1. Yapısına bağlı olarak 1 Watt güç için tasarlanan güneş pilleri için maliyet

tablosu.

Güneş Pisli Çeşidi Birinci Nesil İkinci Nesil Üçüncü Nesil

Watt Başına

Düşen Maliyet 3.5-4.5 $

a 2.6-4.0 $

b 1.0-2.8 $

c

(a Jozef vd., 1997; b James & Woodhouse; cKalowekamo & Baker, 2009)

3. ORGANİK GÜNEŞ HÜCRELERİ

Organik güneş hücrelerinde verim henüz inorganik güneş hücreleriyle karşılaştıralacak

seviyede olmasa da üretimi esnasında daha az toksik madde açığa çıkarması, modüllerin

hafif ve esnek olması, maliyetlerinin düşük olması gibi avantajlarından dolayı geleceğin

güneş hücreleri olarak görülmektedir. (Oktik 2001).Organik güneş hücrelerini

yapımında kullanılan organik malzeme türüne göre sınıflandıracak olursak Organik

Boya Duyarlı Güneş Hücreleri ve Yarı iletken Polimer Katkılı Organik Güneş Hücreleri

şeklinde sınıflandırabiliriz.(Akman vd.2013)

3.1.Organik Boya Tabanlı Güneş Hücreleri

Organik boya duyarlı güneş pillerinin temelini oluşturan yapı Şekil 3.1’de

görülmektedir.Bu yapıda koruyucu tabaka olarak kullanılan cam katmanların altında

elektron akışını sağlayan şeffaf iletken oksit (TCO) (transparent conductive oxide)

yapıdaki elektrotlar bulunmaktadır.Bu şeffaf elektrotlar kullanılan malzeme türlerine

göre farklılık arzedebilmekte, (FTO) (Fluorine-doped Tin Oxide) ya da ITO (İndinium

Tin Oxide) gibi malzemeler de organik boya duyarlı güneş hücrelerinde iletken elektrot

olarak kullanılabilmektedir. Şekil 3.1’de alt kısımdaki gibi şeffaf iletken oksit (TCO)

yapıdaki çalışma elektrodu nano kristal yapılı TiO2 ( titanyum dioksit) üzerine

adsorblanmış şekildedir. Ayrıca organik yapıdaki boya molekülleri de TiO2 yüzeyine

tutturulmuş şekilde bulunmaktadır. (Hagfeldt & Gratzel, 1995; Akman vd.2013) Şekil

3.1’de üst kısımda bulunan şeffaf iletken oksit (TCO) ise, genellikle platin gibi ince bir

tabaka katalizör ile kaplanarak karşıt elektrot görevi yapmaktadır. Organik boya duyarlı

güneş pillerinin yapımında kullanılan ve büyük öneme sahip olan karşıt elektrot, dış

devreden gelen elektronların tekrar redoks işlemini sağlayan elektrolit sıvısına

iletilmesini sağlamaktır. Elektrolit sıvısı genellikle I3-/I- iyonları içermekte ve iki

elektrotun arasına enjekte edilmektedir. Organik boya duyarlı güneş hücrelerinde

elektronik iletkenliğin meydana gelmesine olanak sağlayan nanokristal yapıdaki TiO2

tabaka çok önemlidir. TiO2 yerine ZnO (çinko oksit) ve SnO2 (kalay oksit) gibi alternatif

Page 5: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

oksitlerde kullanılabilmektedir.Fakat TiO2 maliyetinin düşük olması, elektriksel ve

optiksel özelliklerinin uygun olması ve kolay elde edilebilir olması sebebiyle en çok

tercih edilen malzemedir.

Şekil 3.1. Organik Boya Esaslı Nano-kristal Yapılı TiO2 Güneş Pilinin Yapısı

Organik boya yapılı güneş hücrelerinin çalışma prensibi Şekil 3.2’de gösterilmektedir

(http://w3.gazi.edu.tr/~znseferoglu/research/dssc.pdf). Organik boya nanokristal bir

yapıya sahip olan titanyum oksit üzerinde adsorblanmış (tutturulmuş) şekilde

bulunmakta ve ışığı soğurma özelliğine sahiptir. Çalışma sırasında öncelikle ışık

organik yapıdaki boya tarafından soğurulmakta ve bu sayede uyarılmış hale

geçmektedir.Uyarılan boya molekülü bir elektronunu titanyum oksidin iletkenlik

bandına aktarmakta ve aktarılan elektron titanyum oksitin sahip olduğu nanokristal

yapıdaki ağ boyunca ilerleyerek şeffaf yapıdaki iletken elektroda gelmektedir.Buradan

ise iletken dış devre üzerinde ilerleyerek katalizörle kaplı karşıt elektroda

gelmektedir.Organik boya bir elektronunu titanyum oksitin iletkenlik bandına aktardığı

için boya katyonları oluşmakta ve redoks çifti içeren elektrolit tarafından nötr hale

indirgenmektedir.Boya katyonlarını nötr hale indirgeyerek kendisi yükseltgenmiş

duruma geçen elektrolit ise katalizörlerle kaplı şeffaf elektrota gelen elektron tarafından

indirgenmektedir.Bu şekilde organik boya esaslı güneş pilinin çalışması sırasında net

yük her zaman sıfır olup kimyasal bir değişim meydana gelmemektedir.(Zafer 2006)

Page 6: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

Şekil 3.2. Organik boya esaslı güneş pilinin çalışma esası

3.2. Yarıiletken Polimer Tabanlı Organik Güneş Hücreleri

3.2.1.Yarıiletken Polimerler

Polimerler ucuz ve kolay üretilebilen malzemeler olup bunların yanısıra hafif ve

yarıiletken malzemeler olarak bilinmektedirler. Polimer malzemelerdeki elektrik

iletkenliğin metaller seviyesinde olmaması, hem konjugasyonun yüksek düzeyde

iletkenliğe yeterli olmadığını hem de polimerlerin yarı iletken sınıfına dahil olduğunu

göstermektedir. Polimerler ilk keşfedildiğinde bugün bilinen özelliğinin aksine

elektriksel yalıtkanlığa sahip malzemeler olarak bilinmekteydi Fakat yapılan çalışmalar

sonucunda uygun katkılandırma oranlarıyla yalıtkan olarak bilinen polimerler , konjuge

polimerler olarak bilinen yarı iletken hale gelebilmektedirler. Polimerlerin iletkenlik

özelliklerini iyileştirmek için, başlıca kimyasal ve elektrokimyasal yöntemlerle yarı

iletken özellikte konjuge polimerler geliştirilmektedir Bununla bereber konjüge

polimerlerden yükseltgenerek p-tipi polimer ve indirgenerek n-tipi polimer elde

edilebilmektedir. Ayrıca yarıiletken özellikteki polimerlerin iletkenlik seviyeside

polimer malzemenin yapısına göre farklılık göstermektedir.Örneğin yarıiletken konjüge

polimer olarak bilinen silicon ve germanyumun iletkenlik seviyeleri birbirnden

farklıdır.Bunların yanı sıra yarı iletken özellikteki polimerlerin hem maliyetlerinin

düşük olması hemde ince film üretiminde kullanılması sebebiyle kullanım alanları gün

geçtikçe genişlemektedir. Bunlara örnek olarak organik fotovoltaikhücreler (OPV), alan

etkili transistör (FET), fotodiyot teknolojisi, lazer teknolojisi, yarıiletkençipler, entegre

devreler, sensörler, LCD monitörler, bilgisayarlar ve çeşitli teknolojik aygıtlar

verilebilir

Page 7: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

3.2.2. Yarıiletken Polimer Tabanlı Organik Güneş Hücrelerinin Çalışma Prensibi

Yarıiletken polimer yapılı organik güneş hücrelerinini akım akışının temel basamakları

Şekil 3.3’de görülmektedir (Schilinsky vd. 2002).Bu temel basamaklar ışık

soğurulması, yük (eksiton) ayrışması, yük taşınması ve yüklerin

toplanmasıdır.Öncelikle fotonun yarıiletken polimer malzeme tarafından soğurulmasıyla

elektron-delik çiftleri (e-

, h+

) oluşur.Bu elektron-delik çiftleri eksiton olarak

adlandırılır.Oluşan elektron-delik çiftindeki elektron homo(highest occupied molecular

orbital) en yüksek molekül orbital seviyesinden lowest unoccupied molecular orbital

(LUMO) olarak adlandırılan en düşük enerji seviyesine çıkar. Daha sonra oluşan

elektron-delik çiftleri (eksitonlar) birbirinden ayrılırlar. Bu yük ayrımının oluşabilmesi

ve için elektriksel alana ihtiyaç vardır. Elektriksel alan ise simetrik olmayan iyonlaşma

enerjisi veya organik güneş hücresinde kullanılan ITO (indinum tin oxide) ve Al

(aliminyum) gibi elektrotların iş fonksiyonlarının farklılıklarından veya uygulanan

potansiyel sebebi ile oluşan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri yük geçişini

önlemek amacı ile elektron ve elektron boşlukları tercihen farklı malzemelerde veya

fazlarda taşınmaktadır. Örneğin donör-akseptör hücrelerde, elektron iletkenliği iyi olan

akseptör ve boşluk iletkenliği iyi olan donör malzeme kullanımı daha uygundur. Yüksek

yük toplama verimliliği yani iyi bir performans için organik yarıiletken malzeme ile

metal elektrot arasında herhangi bir enerji bariyeri olmaması gerekmektedir. Bazı

durumlarda iki malzeme arasındaki enerji bariyerini gidermek için ilave bir malzeme

daha kullanılması yük toplama verimliliğini arttırmaktadır (Zafer 2006).

Şekil 3.3. Polimer Tabanlı Organik Güneş Hücrelerinde Yük Oluşumu ve Ayrışması

Page 8: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

Polimer tabanlı organik güneş hücrelerini yapılarına göre sınıflandıracak olursak tek

tabakalı fotovoltaik hücreler, iki katlı heteroeklem fotovoltaik hücreler ve hacim

heteroeklem fotovoltaik hücreler olmak üzere üçe ayırabiliriz.

i) Tek tabakalı organik güneş hücreleri

Polimer tabanlı tek tabakalı organik güneş hücreleri iş fonksiyonları birbirinden farklı

iki metal elektrot arasına sıkıştırılmış yarıiletken polimerlerden oluşmaktadır. Işığın

elektrodlar arasında bulunan organik yarıiletken konjüge polimer üzerine düşmesiyle,

elektron-hole çiftleri oluşmakta, elketron hole çiftlerinin iş fonksiyonları birbirinden

farklı elektrotların üzerinde toplanmasıyla elektrik akımı oluşmaktadır.(Akman

vd.2013) Tek tabakalı hücrelerin veriminin düşük olmasının nedeni bu hücre tipinde

sadece kısıtlı bölgelerde foto-akım oluşmasıdır (Drechsel vd.

2004)(http://w3.gazi.edu.tr/~znseferoglu/research/dssc.pdf).

Şekil 3.4. Tek Tabakalı Organik Güneş Hücreleri

ii) İki tabakalı organik güneş hücreleri

Polimer tabanlı iki tabakalı organik güneş hücreleri Şekil 3.5’deki gibi donör ve

akseptör malzemeyi üst üste sıkıştırarak oluşturulabilir.Donör ve akseptör arasındaki

etkileşim ikisinin birbirine temas ettiği geometrik ara yüzeyde sağlanır.Burada akseptör

n-tipi bir yarıiletken, donör ise p tipi bir yarıiletkenden meydana gelmektedir.Tek

tabakalı yapıya göre avantajı nano-molekül yük geçişinin olmasıdır. Eksiton denilen

elektron ve hole çiftleri materyalin arayüzeyine ayrılır ve elektronlar n-tipi akseptörün

içine, holler ise p-tipi donör materyalin içine doğru hareket ederler. Bu yüzden, hollerin

ve elektronların her biri diğerinden ayrılır ve yeniden birleşme (rekombinasyon) büyük

miktarda azalmış olur. (http://w3.gazi.edu.tr/~znseferoglu/research/dssc.pdf)

Page 9: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

Şekil 3.5. İki Tabakalı Organik Güneş Hücreleri

iii) Hacim heteroeklem organik güneş hücreleri

Hacim heteroeklem organik güneş hücreleri iki tabakalı organik güneş hücreleri ile

benzerlik gösterirken, yüklerin ayrılmasının meydana geldiği alan hacim heteroeklem

organik güneş hücrelerinde daha büyüktür.Organik maddelerin uyarılma ömürleri çok

kısa olduğu için ancak 10nm kadar bir uzaklığa iletim gerçekleşebilmektedir.10 nm’den

daha uzak mesafelerde fotoakım kaybolur ve güneş pilinin etkinliği azalır.Bundan

dolayı organik hücrelerin son derece ince yapılması gerekmektedir.Bu sebepten dolayı

hacim heteroeklem hücreler üretilmiştir.Hacim heteroeklem hücre tipinde donor ve

akseptör maddelerden bir karışım oluşturularak, iki elektrot arasına

yerleştirilmektedir.Bu sayede donor akseptör temas yüzeyi arttırılarak iletimin

kolaylaşması sağlanmaktadır (http://w3.gazi.edu.tr/~znseferoglu/research/dssc.pdf)

Şekil 3.6. Hacim Heteroeklem Organik Güneş Hücreleri

Page 10: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

4.Organik Güneş Pillerinin Avantaj ve Dezavantajları

Organik güneş hücrelerinin, inorganik güneş hücrelere nazaran kolay üretilebilir, düşük

maliyetli ve geniş yüzeylere kaplanabilir olmaları oldukça büyük bir avantajdır.

Kullanılan malzemeye göre pilin esneklik kazanabilmesi uygulama alanının artmasına

olanak sağlamaktadır. Ayrıca organik kimyadaki gelişmelere paralel olarak, farklı çıkış

bileşikleri ile sentezlenen organik bileşiklere daha üstün özellikler kazandırılması, bu

teknolojinin hızla gelişmesine neden olmaktadır. Bunların yanı sıra organik güneş

hücrelerinde kullanılan malzemelerin kimyasal yapıları kolayca değiştirilebilmekte ve

bu şekilde malzemelerin soğurma aralığının güneş spektrumuna daha uygun hale

getirilerek, daha fazla foton enerjisi soğurabilmesi sağlanmaktadır. Organik materyal

olarak konjuge polimerlerin kullanıldığı güneş hücreleri inorganik materyal

kullanılanlarına göre daha yüksek molar soğurma katsayısına sahip olması gibi

özellikler organik güneş hücrelerinin avantajları arasında sayılabilir. Organik güneş

hücrelerinin dezavantajlarına değinicek olursak plimer tabanlı güneş hücrelerinde

kullanılan ITO katmanının yüksek yüzey direncine sahip olması, gelen güneş ışığının

çoğunun yüzeyden ve aluminyum elektrottan geri yansıması,üretilmiş hücrelerin

paketlenmesi, inorganic hücrelere nazaran organik hücrelerde düşük verim elde edilmesi

gibi üzerinde çözüm için çalışmaların devam ettiği sorunlardan söz edilebilir. (Mert O.

ve Mutlu Ş.)

SONUÇ

Organik güneş hücrelerinin düşük maliyetli, esnek , hafif ve kolay üretilebilir olması

gibi avantajlar son yıllarda çalışmaların organik güneş hücre tipleri üzerine

yoğunlaşmasına neden olmuştur. Ayrıca kullanılan malzemeye türüne göre pilin

esneklik kazanabilmesi de uygulama alanının artmasına olanak sağlamaktadır. Polimer

yapılı organik güneş pillerinin rulodan-ruloya üretim sistemleriyle ucuza mal

edilebileceklerinden dolayı özellikle enerjiye ulaşmakta çok zorluk çeken, fakir ama bol

güneşli Afrika ülkelerinde yasam kalitesinin yükselmesine büyük katkıda

bulunabilecektir.Organik güneş hücrelerinin verimleri inorganik güneş hücrelerine

nazaran düşük olsada yapılan çalışmalarla son yıllarda verim artışı noktasında hızlı

ilerleme kaydetmişlerdir.Enerji ihtiyacı ve tüketiminin arttığı dünyamızda, enerji

ihtiyacını ucuz ve kolay üretilebilmesi konusunda yapılan çalışmalarda alınacak

mesafeyle, yeşil-enerji pazarına hızlı bir giriş yapacağı tahmin edilen organik güneş

pilleri, geleceğin temiz ve güvenilir enerji seçeneklerinden biri olacaktır.

Page 11: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

Kaynaklar

1) Sayın.S., ve Koç.İ., (2011)., ‘‘Güneş Enerjisinden Aktif Olarak Yararlanmada

Kullanilan Fotovoltaik (Pv) Sistemler ve Yapılarda Kullanim Biçimleri’’ S.Ü. Müh.-

Mim. Fak. Derg., c.26, s.3. ISSN: 1300-5200, ISSN: 1304-8708 (Elektronik)

2) Sarıtaş, M., (1988) “Review paper on Solar Cell Technology”, Proceedings of ECA

Electronics Technology Workshop, TUBİTAK, Gebze, 1988.

3) Oktik, Ş., (2001) ‘‘Güneş-Elektrik Dönüşümleri Fotovoltaik Güneş Gözeleri ve Güç

Sistemleri ’’ Temiz Enerji Vakfı Yayınları, Ankara.

4) Kazmerski, L.L., 1997, “Photovoltaics: a review of cell and module technologies”,

Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.1, ss. 71-170.

5) Sariciftci, N. S., Smilowitz, L., Heeger, A. J. and Wudl, F.” Photoinduced electron

transfer from a conducting polymer to buckminsterfullerene” Science 258, 1474-

1476 (1992)

6) Akman E., Akın S., Karanfil G., Sönmezoğlu S.(2013)., ‘‘Organik Güneş Pilleri’’

Trakya Univ J Sci, 14(1): 1-30, 2013

7) Hagfeldt A., Grätzel M., (1995) ‘‘Light-Induced Redox Reactions in

Nanocrystalline Systems’’Chem.Rev., 95, 49-68

8) Zafer C., (2006) ‘‘Organik Boya Esasli Nanokristal Yapili İnce Film Güneş Pili

Üretimi ’’ Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

9) Mert O. ve Mutlu Ş., ‘‘Organik Elektronik’’ Elektrik-Elektronik Mühendisliği

Boğaziçi Üniversitesi ,Endüstri Otomasyon.

10) James, A., Woodhouse, T.M. (2011) ‘‘Drivers of Residential and Utility Scale

SolarPhotovoltaic (PV) System’’ Price in the U.S. NREL Technical Report.

11) Jozef, S., Sivoththaman, S., Nijs, F.J., Mertens, R.P., Overstraeten, R.(1997) ‘‘ Low-

Cost Industrial Technologies of Crystalline Silicon Solar Cells’’ Proceedings of the

IEEE, 85, 5.

12) Kalowekamo, J., Baker, E. (2009) ‘‘ Estimating the manufacturing cost of

purelyorganic solar cells’’ Solar Energ,y 83, 1224-1231.

13) Prof.Dr.Zeynel Seferoğlu (http://w3.gazi.edu.tr/~znseferoglu/research/dssc.pdf)

14) Schılınsky, P., Waldauf, C., Brabec, C.J. (2002) ‘‘ Recombination and loss analysis

in polythiophene based bulk heterojunction photodetectors’’ Applied Physics

Letters, 81,3885-3887.

Page 12: VE FOTOVOLTAİK ÖZELLİKLERİNİN TANIMLANMASIscientificroute.org/journals/GS9msdJnU5sb21PY5iEe.pdf · potansiyel sebebi ile oluan elektrik alanda sağlanır(Akman vd.2013). Geri

15) Güneş, S., Neugebauer H., Sariçiftçi N.S, (2007) ‘‘Conjugated Polymer-Based

Organic Solar Cells’’ Chem. Rev., 2007, 107 (4), pp 1324–1338 doi:

10.1021/cr050149z