Yeni Nesil Organik Fotovoltaik Teknolojiler · 2017-01-11 · 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, 6-7 Aralık 2013, Mersin 5 FOTOVOLTAİK HÜCRE TEKNOLOJİLERİ

Yeni Nesil Organik Fotovoltaik Teknolojiler

Doç.Dr.Dr. Ceylan ZAFER Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü, [email protected]

6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, 6-7 Aralık 2013, Mersin

mailto:[email protected]

İçerik Organik Fotovoltaik Teknolojiler: Boya Duyarlaştırıcılı Güneş Hücreleri • Elektrolitli Hücreler • Katı-Hal Hücreler • Perovskite Güneş Hücreleri Plastik Güneş Hücreleri • Moleküler Güneş Hücreleri (Tang Hücresi) • Polimer Güneş Hücreleri Organik Fotovoltaik Teknolojilerde Endüstriyel

Gelişmeler

2 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, 6-7 Aralık 2013, Mersin


3


GÜNEŞ IŞINIMI SPEKTRUMU

6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, 6-7 Aralık 2013, Mersin 5

FOTOVOLTAİK HÜCRE

TEKNOLOJİLERİ

I. 1inci Nesil • Tek kristal Si • Çok kristal Si

II. 2nci Nesil (Düşük maliyetli-İnce Film Teknolojisi) • Amorf Si • İnce Film Si • CuInSe2 • CdTe

III. 3üncü Nesil • Organik Boya Duyarlaştırıcılı Güneş Hücreleri • Plastik Güneş Hücreleri (moleküler ve polimerik) • Yüksek verimli çok kavşaklı tandem güneş hücreleri • Sıcak elektron dönüştürücüleri • Kuantum parçacık güneş hücreleri

• Çoklu eksiton üretimi (MEG) • Ara-band Güneş Hücreleri (İntermediate band Solar cells)

Fotovoltaik Hücre Verimleri (Laboratuvar)


7

e-

Kullanılabilir foto-gerilim(qV)

Enerji

e-

n-tipi p-tipi

1 e- - h+ çifti/foton; tam sıcak taşıyıcı sönümlenmesi

ηmax = 32%

(Schockley-Queisser Limit) Isıl kayıp

Isıl Kayıp

hν

Tek Eklemli Geleneksel PV Pil

h+


Duyarlaştırma: Fotosentez


Boya Duyarlaştırıcılı Güneş Hücreleri (DSSC)

9

Cam

TCO Platin

Elektrolit

Boya

TiO2

TCO

Cam


Tarihsel Gelişim …

• Boya duyarlaştırıcılı güneş hücreleri (DSSC), inve film güneş hücreleri sınıfında yer alan düşük maliyetli fotovoltaik sistemlerdir.

• Boya duyarlaştırıcılı güneş hücreleri, aynı zamanda Graetzel hücresi olarak da bilinir, ilk olarak 1988 yılında M. Graetzel ve Brian O’Regan tarafından UC Berkley ‘de keşfedilmiş ve sonrasında 1991 yılında aynı kişiler tarafından École Polytechnique Fédérale de Lausanne’da (EPFL) geliştirilerek Nature dergisinde yayınlanmıştır.

• Michael Graetzel , 2010 yılında Millenium Teknoloji Ödülü ile ödüllendirildi.

10 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu

ve Sergisi, 6-7 Aralık 2013, Mersin

S/S+

TiO2

e-

e-

e-e-

e-

e-

S+/S*

Dye

Redox Couple

I-/I3-

e-

5

1

2

3

4

Boyanın Uyarılması

Elektron Aktarımı

Yüklerin Toplanması

Boyanın Rejenerasyonu

Elektrolitin İndirgenmesi

4

1

2

3

5

11

DSSC’lerde Yük Taşınımı ve Enerji Dengesi


T C O

VB

TiO2

CB

S/S+

S*/S+ 3,7eV

ELEKTROLİT

(I-/I3-)

4,85 eV

4,2eV

7,4eV

4,7eV

Platin

Electrode

V=Voc

EF

6,1eV

Boya

DSSC Nasıl Çalışır?

e

e

e

e

Yük



Elektrolit

Difüzyon Sabiti Redoks Potansiyeli

Katkılar Yükseltgenme Derecesi

Buhar Basıncı

Elektrotlar

TCO İletkenliği Geçirgenlik

Boya

Soğurma sabiti Spektral Kaplama Alanı

Kararlılık Elektron transfer hızı

Yarıiletken Malzemeler

Bant Boşluğu Kusurlar

Parçacık Boyutu Yüzey Alanı

DSSC Optimizasyon Parametreleri



6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, 6-7 Aralık 2013, Mersin 14

Nano-kristal Elektrotlar ve Oksit Yarıiletkenler

• Foto-korozyona karşı sahip oldukları kararlılık.

• Görünür bölgede saydam(EG > 3eV).

•Yüksek yüzey alanı.

•Toksik değil.

•Düşük maliyet.


15

Şekil 5.1. a) 100nm kalınlığındaki gözeneksiz TiO2 filminin görüntüleri, b) 10µm kalınlığındaki gözenekli TiO2 filminin AFM görüntüleri, c) 3µm kalınlığındaki gözenekli TiO2 filminin SEM görüntüleri,

MORFOLOJİ

A B

C

N

N

N

N

N

N

Ru

COOH

COOH

COOH

HOOC

HOOC

COOH

N

N

N

N

Ru

COOH

HOOC

HOOC

COOH

NC

S

NC

S

N

N

N

Ru

COOH

HOOC

HOOCN

C

S

NC

S

NC

S

Organometalik Boyalar: Rutenyum Kompleksleri

Science, 334 (2011) 629-634, DOI: 10.1126/science.1209688

%12 Verimli Porfirin Boyası ile Duyarlaştırılmış Güneş Hücreleri

17

Şekil: YD2 (sol) ve YD2-o-C8 (sağ)porfirin boyaları

Tablo: Standart şartlar altında YD2 ve YD2-o-C8 boyaları ile üretilmiş güneş hücresinin performans parametreleri.


Organik Duyarlaştırıcıların Blok Modeli

Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 16, Issue 8 2012 5848 - 5860



Test Edilen Organik Boyalar

NKX2587 (n=1) NKX2697 (n=3)

MK1: (R=C6H13) n=3 MK2: (R=C6H13) n=4 MK3: (R=H) n=3 MK11: (R=C6H13) n=5

D77

D149



η: %8

η: %8

η: %7

η: %8

Table 4: Photovoltaic performances of the DSSCs sensitized with BG-1, BG-2 and reference dye Z-907 under 100mWcm-2 light intensity and AM 1.5 global radiation

Dye Isc(mA/cm2) Voc(mV) FF M.Power (mW/cm2) Impp(mW/cm2) Vmpp(mV) Efficiency(%)

BG-1 9,81 640 0,63 3,95 8,41 470 3,95

BG-2 8,44 570 0,57 2.73 7,18 380 2,73

Z907 12,49 580 0,66 4,81 11,19 430 4,81

C. Zafer et al. Journal of Physical Chemistry C, 114 (2010) 19840-19848

BG-1 BG-2


N N

NC

COOH

N NC8H17

H17C8

NC

COOH

BG-501

BG-502

Table.2- DSSC performance parameters of dyesa

Dye Jsc

(mA/cm2)

Voc

(mV)

FF M.Power

(mW/cm2)

Jmpp

(mA/cm2)

Vmpp

(mV)

Efficiency

(%)

BG501 7.46 560 0.60 2.49 6.56 380 2.49

BG502 8.40 660 0.57 3.18 7.23 440 3.18

Z907 15.29 600 0.46 4.20 11.66 360 4.20

a Performances of DSSCs were measured with 1 cm

2 working area.

C. Zafer et al. Solar Energy Materias and Solar Cells, 94 (2010) 655-661 21 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu


N

N N

H9C4O OC4H9

H13C6O

H13C6O

S

N

O

OH

KD-150

Quinoxaline Boyaları

Donor

π- bridge

Acceptor


0,0 0,2 0,4 0,6

10

5

0

-5

-10

-15

Cu

rre

nt

De

nsity (

mA

/cm

2)

Bias (V)

MK148

MK150

Z907

Dye Isc(mA/cm2) Voc(mV) FF M.Power (mW/cm2) Impp(mW/cm2) Vmpp(mV) Efficiency(%)

KD-148 4,92 520 0,60 1,54 4,16 370 1,54

KD-150 7,37 560 0,56 2,32 6,28 370 2,32

Z907 14.51 630 0,45 4,08 11,34 360 4,08


Organik mi? Organometalik mi?

Organik Boyalar:

Organometalik boyalar:

Daha geniş soğrma bandına sahipler

En yüksek dönüşüm verimine sahipler.

Daha yüksek molara soğurma katsayısına sahipler.

Kolaylıkla yapısal değişiklik ve farklı renk elde etme imkanı

Düşük maliyet.

Yapısal olarak sınırlı modifikasyon imkanı.

Yüksek maliyet.

Daha hızlı elektron aktarım hızı.



25

Elektrolit

DSSC’de kullanılan redoks çifti (elektrolit) için ideal şartlar: • Redoks çiftinin redoks potansiyeli boyanın HOMO enerji seviyesi ile uyumlu olmalıdır. • Yüksek difüzyon katsayısına (De) sahipolmalıdır • Görünür bölgede ışığı soğurmamalıdır • Kararlı olmalıdır • Kimyasal olarak inert (soy) olmalıdır

Çözücü: • Düşük buhar basıncına sahip sıvı olmalıdır. • Viskozitesi düşük olmalıdır • Dielektrik sabiti yüksek olmalıdır. • Görünür bölgede soğurma yapmamalıdır. • Endüstriyel uygulamalar için düşük maliyetli olmalıdır. • Toksik olmamalıdır


İYONİK SIVILAR

İmidazolium Tuzları

DSSC Üretimi

26

TiO2 Film Kaplama

Sinterleme

TiO2 ‘in duyarlaştırılması ve elektrolit dolumu

DSSC Modülü



Kararlılık Testleri



Standart: IEC-61646

Katı Hal Boya Duyarlaştırıcılı Güneş Hücreleri (SS-DSSC)


Spiro-OMeTAD’ın TiO2 gözeneklerine dağılımı

29 PhD Thesis, L. S. Mende, EPFL-LPI, Lausanne

Nathalie ROSSIER-ITEN, PhD Thesis, 2006, EPFL, Lausanne 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu


SS-DSSCs için Organik Sensörler

J. Phys. Chem. C 2012, 116, 1572–1578 30 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu


J. Phys. Chem. C 2012, 116, 1572–1578 31

SS-DSSCs için Organik Sensörler


Perovskite temelli SS-DSSC’ler

Gratzel et al. NATURE PHOTONICS DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.80 32 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, 6-7 Aralık 2013, Mersin

Nature 499 (2013) 316-320; doi:10.1038/nature12340 33 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu


Chung et al. Nature 485, 486-489 (2012) doi:10.1038/nature11067

Yeni Tür Boşluk İletim Materyali

η: 10.2%

35

“Plastik” Güneş Hücreleri



PCBM (C60)

Konjüge Polimer

+ -

Işık

ITO

Plastik veya Cam

Alüminyum

P EDOT-PSS

PCBM (C60)

+ -

Konjüge Polimer

Işık

ITO

Plastik veya Cam

Alüminyum

PEDOT-PSS

Çift Katmanlı Heteroeklem Hacimsel Heteroeklem

N.S. Sariciftci, L. Smilowitz, A.J. Heeger, F. Wudl, Science 258, 1474 (1992)

C.J. Brabec, G. Zerza, G. Cerullo, S. De- Silvestri, S. Luzatti, J.C. Hummelen, N.S. Sariciftci, Chem. Phys. Lett. 340, 232 (2001)

Polimer Güneş Hücreleri



Konjuge Polimerler:

Ardışık karbon atomlarının, polimer ana zinciri boyunca aralarındaki tek (σ) ve çift bağlarını (π) sürekli değiştirmesiyle oluşan, π-konjuge sistemine sahip olmalarıdır.

n

38

G. Li et al.,Nature Mater. 2005, 4, 864.



Enerji farkı çok fazla

P3HT-PCBM donör akseptor karışımı, iyi sonuçlar vermesine rağmen, verim %5`i geçememektedir.

P3HT-:PCBM Temelli Güneş Hücresi:

Donör-Akseptör Tipi Konjuge Polimerler

S

S

OR

ORS

NS

N

Y

S

R3

R3

n

Akseptör

Donör

• Donör ve akseptör karakterli iki birimin birleştirilmesi ile elde edilirler

• Homopolimerlere göre daha düşük bant aralığına sahiptirler

• Bu sayede güneş spektrumunu daha fazla kapsarlar




High-efficiency inverted solar cells based on a low ban-dgap polymer with excellent air stability

Solar Energy Materials and Solar Cells Volume 96 2012 155 - 159

Verim: %6.7


42

Aung Ko Ko Kyaw; Dong Hwan Wang; David Wynands; Jie Zhang; Thuc-Quyen Nguyen; Guillermo C. Bazan; Alan J. Heeger; Nano Lett. 2013, 13, 3796-3801.

η: 8,95%

η: 6.02%

(

)

SS

N

SN

n

(

)

SS

N

SeN

n

S

S

N

SN

()n

S

S

N

SeN

( )

Zayıf Donör-Kuvvetli Akseptör Konjuge Polimerler

F8-TBT F8-TBSeT

SF12-TBT SF12-TBSeT 43 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu


η: %3.76

η: %3.52

44

J. Xue, et al., Adv. Mater. (Jan., 2005)

Transport, absorpsiyon ve yük ayrışımının tek yapıda optimizasyonu

Moleküler (Tang) Güneş Hücreleri

C. W. Tang Appl.Phys. Lett. 48(1986)183 44




E.Ü. Güneş Enerjisi Enstitüsü 46 10.12.2013

E.Ü. Güneş Enerjisi Enstitüsü 47 10.12.2013

Şekil: Esnek Tabanlı OPV Rulodan Ruloya Üretim Makinası (Konarka,2010)

Şekil 3.3 Esnek Tabanlı DSSC Üretilmiş Rulolar (Konarka,2010)



G24 Innovation

DyeSol

SCHOTT Solar GmbH & Fraunhofer ISE Ege Üniv. Güneş Enerjisi Enst. 2006,

Modül: 30cmx60cm, Verim: 3.5%




50

51

52

TEŞEKKÜRLER …..



Prof.Dr. E.Sıddık İÇLİ Doç.Dr. Kasım OCAKOĞLU Doç.Dr. Sermet KOYUNCU Yrd. Doç. Dr. Mustafa CAN Arş. Gör. Dr. Burak GÜLTEKİN Arş. Gör. Dr. Hakan BİLGİLİ Cihan ÖZSOY Deniz AYKUT Kadir DEMİRAK

T.C. Kalkınma Bakanlığı TÜBİTAK Ege Üniversitesi BAP TMMOB MMO Mersin Şubesi


54

EKLER

a) b)

Şekil: PV hücre yapısı: FTO/ TiO2 (10+4) /KO-20 / 0.6M PMII+0.1M I2+0.5M TBP +MeCN / Pt/ FTO

55

Şekil: İyonik Sıvı imidazolyum tuzları.

Ceylan Zafer , Kasim Ocakoglu , Cihan Ozsoy , Siddik Icli

Dicationic bis-imidazolium molten salts for efficient dye sensitized solar cells: Synthesis and photovoltaic properties

Electrochimica Acta Volume 54, Issue 24 2009 5709 - 5714

56

Fig. I – V curves of DSSCs under (a) 100mW/cm 2 light intensity and AM1.5 global irradiation (b) dark.

Ceylan Zafer , Kasim Ocakoglu , Cihan Ozsoy , Siddik Icli Dicationic bis-imidazolium molten salts for efficient dye sensitized solar cells: Synthesis and photovoltaic properties Electrochimica Acta Volume 54, Issue 24 2009 5709 - 5714

Table 1. Photovoltaic perphormance parameters of FTO/TiO2(10+4)/Z-907/ I-/I3- /Pt/FTO system under AM1,5 conditions (100

mWcm-2)

BMII K34 K35 K36 TEGDII

Voc [V] 0,65 0,64 0,63 0,65 0,64

Isc [mA/cm2] 18,58 17,11 15,87 15,89 15,94

Vmpp [V] 0,40 0,39 0,37 0,40 0,38

Impp [mA/cm2] 14,10 14,37 12,05 12,91 12,25

MPP [mW] 5,64 5,60 4,45 5,16 4,65

FF 0,47 0,51 0,44 0,50 0,45

η [%] 5,64 5,60 4,45 5,16 4,65

57

Documents

Yeni Nesil Organik Fotovoltaik Teknolojiler · 2017-01-11 · 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, 6-7 Aralık 2013, Mersin 5 FOTOVOLTAİK HÜCRE TEKNOLOJİLERİ