Son yıllarda pil teknolojilerinde ve alternatif enerji arayışlarında teknolojik atılımlar gerçekleşiyor. Günümüzde neredeyse her şey elektrikle çalıştığından, daha verimli pillere gereksinim artıyor. Bu konuda en temiz alternatif enerjilerden biri güneş enerjisi gibi gözüküyor.
Güneş pili teknolojisi henüz çok yeni olmasına rağmen bu konudaki çalışmalar 1830’ lu yıllara kadar uzanır.
İlk çalışmalar sadece deneysel bazda yürütülürken 1970’ler den sonra, uzun çalışmalar sunucu bu pillerin verimleri % 1 ila 2 den (pilin türüne göre ) % 30 ‘a kadar çıkartılarak bugünkü ticari konuma getirilmiştir. Son yıllarda yapılan farklı çalışmalarda bazı prototiplerde bu verim % 50’ye yaklaşmıştır.
Güneş pilleri, nano teknolojiden yararlanılarak oluşturulan yarı iletken n ve p tipi elektrotların üst, üste konumlandırılması ile oluşturulurlar.
Güneşten gelen fotonlar, n tipi elektroda değer ve ondan bir elektron koparır. Yerinden kopan bu elektron dış devre ve direnç üzerinden geçerek p tipi elektroda ulaşır. P tipi elektrondan da tekrar n tipi elektroda geçer. Fotonlar bu şekilde elektron koparttıkça bir elektron döngüsü ve elektriksel akım (I.) ve gerilim (V.) oluştururlar.
Güneş Pili Yapımında Kullanılan Yarı İletkenler
Güneş pili yapımında birçok yarı iletken kullanılmaktadır . Bunlardan bazılarını şu şekilde sıralamak mümkün.
1- Galyum Arsenit
2- Silisyum
3- Bakır Oksit
4- İndiyum
5- Titanyum Dioksit
6- Çinko Oksit.
Güneşten dünyamıza m2’ye saatte yaklaşık 1000 Watt’lık enerji düşmektedir. Biz bunun sadece % 30’ nu elektrik enerjisine dönüştürebilmekteyiz.
Galyum Arsenit Güneş Pilleri halen en yüksek verimle (%30) birinci sırada dır. Bu pillerin üretimi hem ileri teknoloji gerektirmekte hem de çok pahalıya mal olmaktadır. NASA bu pilleri uzay teknolojisinde kullanmaktadır.
Galyum Arsenit’ten yapılan güneş pillerinden hemen sonra Saf Silisyum (Silikon) dan yapılan Mono Kristal Silisyum Güneş Pilleri gelir ve verimleri yaklaşık % 22 dir.
Bu pillerin de, üretimleri hem çok zor hem de maliyetleri bir hayli yüksektir. Mono kristal silisyum güneş pilinin maliyeti takriben Watt başına 4.5 $ dır.
Titanyum Dioksit; sentetik beyaz bir pigment olup, yarı iletken özelliğe sahip, metal oksit bir bileşiktir.
Yüksek ısıya dayanıklı, ışığa karşı duyarlıdır. Fotovoltaik ve fotokatalitik özelliği olan ditanyum dioksit, ilaç sanayinden kozmetiğe, boyar ana ham maddesinden, yiyecek maddelerindeki kullanım alanıyla geniş bir yelpazeye sahiptir.
Titanyum Dioksit’in bilinen 3 kristal yapısı vardır bunlar ;
1- Anataz.
2- Rutil.
3- Brokit.
TiO2 Tetragonal Kristal Yapı
Organik Güneş Pilinin (OGP) üretiminde anataz form kullanıma daha uygundur. Diğer iki kristal yapılar daha farklı amaçlar için kullanılmaktadır.
OGP yapımında kullanılan en yaygın ve kolay prosedürü İsviçre’de Ecole Polytechnique de Lausanne’da bulunan Alman asıllı Prof. Dr. Michael GRATZEL’in uyguladığı metottur. Gratzel bu pili ilk olarak bitki yapraklarının fotosentez özelliğini taklit ederek (1991) keşfetmiştir.
Ülkemizde de bu alanda ciddi ve hatırı sayılır çalışmalar yapılmaktadır. Bu alanda dünyaca ünlü Ord. Prof. Dr. Niyazi Serdar SARIÇİFTÇİ ve EGE Üniversitesinden Prof. Dr. Sıddık İÇLİ bu çalışmaların belli başlı isimlerindendir.
Organik güneş pilleri; bir yüzeyi İTO, ATO, veya FTO kaplı yarı iletken iki adet cam tabaka arasına pasta biçiminde kat, kat inşa edilen kimyasallardan oluşur, diye edebiliriz.
Bu verdiğimiz şekil örneği bize OGP içinde meydana gelen basit bir elektron akışını göstermektedir.
Bir de güneş gözemizde(cell) oluşan kimyasal ve fiziksel reaksiyon ve hareketlilik vardır. Bu kimyasal reaksiyon ve fiziksel aktivite aşağıdaki şekildeki gibi oluşmaktadır.
—(k3 ) Valans bandından, yasak boşluk bandını geçerek iletkenlik bandına, oradan (akseptör) TiO2 nano kristal örgüye enjekte olup, oradan da karanlık reaksiyon dediğimiz ve elektronun arka planda bulunan redoks çiftine direk geçmesidir. Bu arzu edilmeyen bir reaksiyon ve elektron kaybıdır.
—(k4 ) Valans bandından, yasak boşluk bandını geçerek iletkenlik bandına ulaşan, fakat henüz TiO2 nano kristal örgüye enjekte olamadan yeniden valans bandına dönen elektron geçişidir. Bu arzu edilmeyen bir reaksiyon ve elektron kaybıdır.
—(k5) Elektron vererek katyon durumuna geçen boya molekülünün geri plandaki ( lojistik destek sağlayan ) redoks çiftinden bir elektron alarak nötrülize olan boya molekülünün indirgenmesiyle oluşan elektron akışıdır. Arzu edilen ve OGP hücresinde olması istenen bir reaksiyondur.
Yukarıda güneş pilinin çalışma prensibini anlatırken Nano Titanyum Dioksit üzerine dökülen özel hassaslaştırılmış (sensitizer dye) boyadan söz etmiştik. Dilerseniz bu konuyu biraz açalım.
Anot elektrot hazırlanıp, bittikten sonra bu elektrotun üzerine üç değişik boya uygulanabilir. Bunlar; metal kompleksi inorganik piridin, organik indolin ve doğal antosiyanin pigment türevleridir.
Ben size; eldesi çok ucuz sentezi ve ekstraksiyonu kolay olan, antosiyanin boyalardan biraz bahsetmek istiyorum.
Antosiyanin boya; renkli tüm çiçek, meyve, yaprak ve ağaç kabuklardan elde edilebilir. Bahsettiğim bitkilerden biri seçilir, önce robotla iyice ezilerek saflaştırılır. Homojenleştirilen marmelat asitlerden (asetik asit / hidroklorik asit / sitrik asit), saf su, ve alkol, gibi kimyasallarla belli oranlarda katkılandırılır.
Asetik Asit (Beyaz Sirke-Organik zayıf asit) = CH3COOH
Sitrik Asit (Limon Tuzu-Organik zayıf asit) = C6H8O7
Hidroklorik Asit (Tuz Ruhu-İnorganik güçlü asit) = HCI
Marmelat mikron boyutta süzülerek şurup haline getirilir. Bu şurup ısıl, damıtma ve vakum işlemlerinden geçirildikten sonra saf antosiyanin boya elde edilir.
Aşağıdaki resimde yaptığım çalışmalara ait bir örnek görülüyor. Bu hücrelerde kullanılan iletken camlar, TiO2 pasta, katot/anot elektrot, elektrolit ve hassas antosiyanin boya ekstraksiyonu, gibi işlemlerin tamamı, kendi sentez ve çalışmalarımdan oluşmaktadır.
Sonuç olarak güneş piliyle elde edilen potansiyel değeri (yaklaşık 500 mV), olan birçok kimyasal tepkimeyi gerçekleştirebilecek büyüklüktedir.
Yazı ve çalışma Ömer Çetin Tarafından Hazırlanmıştır.
Ömer Çetin İletişim Mail : email@example.com