FOTOVOLTAĐK ETKĐ OLUŞTURAN LĐF
GELĐŞTĐRĐLMESĐ
Ayşe (ÇELĐK) BEDELOĞLU
Haziran, 2009 ĐZMĐR
FOTOVOLTAĐK ETKĐ OLUŞTURAN LĐF
GELĐŞTĐRĐLMESĐ
Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi
Tekstil Mühendisliği Bölümü Tekstil Teknolojisi Anabilim Dalı
Ayşe (ÇELĐK) BEDELOĞLU
Haziran, 2009 ĐZMĐR
ii
PROF. DR. ALĐ DEMĐR yönetiminde hazırlanan “FOTOVOLTAĐK ETKĐ OLUŞTURAN LĐF GELĐŞTĐRĐLMESĐ” başlıklı tez tarafımızdan okunmuş, kapsamı ve niteliği açısından bir doktora tezi olarak kabul edilmiştir.
Prof. Dr. Yalçın BOZKURT Danışman
Prof. Dr. Ali DEMIR Prof.Dr. Nilüfer ERDEM
II. Danışman Tez Đzleme Komitesi Üyesi
Prof. Dr. Devrim BALKÖSE Doç.Dr. Nuray UÇAR
Tez Đzleme Komitesi Üyesi Jüri Üyesi
Prof. Dr. Gülseren Kurumer Prof. Dr. Fatma Çeken
Jüri Üyesi Jüri Üyesi
Prof.Dr. Cahit HELVACI Müdür
iii
Doktora tezi çal mam n yürütülmesinde büyük yard mlar n ve desteklerini gördü üm dan manlar m Prof. Dr. Yalç n BOZKURT ve Prof. Dr. Ali DEM(R’e sonsuz te ekkürlerimi sunar m. Ayr ca, tez izleme komitesi üyeleri Prof. Dr. Nilüfer ERDEM ve Prof. Dr. Devrim BALKÖSE’ye tezimle ilgili her türlü ele tiri ve önerileri için te ekkür ederim.
Avusturya’da Johannes Kepler Üniversitesi’nde güne pilleri ile ilgili gerçekle tirdi im deneysel çal malar ma çok de erli fikir ve önerileriyle yard mc olan hocam Prof. Dr. Niyazi Serdar SARIÇ(FTÇ(’ye ve Dr. Robert KÖPPE, Martin EGGINGER, Philipp STADLER, Gerda KALAB ba ta olmak üzere, LIOS (Linz Institute for Organic Solar Cells) ekibine, Y ld z Teknik Üniversitesi’nden Doç. Dr. Serap Güne ve Ara . Gör. Nimet CANLI YILMAZ’a çok te ekkür ediyorum.
Doktora çal mam süresince, beni burslar yla (2211 kodlu Yurt (çi Doktora Burs Program ve 2214 kodlu Yurt D Ara t rma Burs Program ) destekleyen TÜB(TAK (Türkiye Bilimsel ve teknolojik Ara t rma Kurumu)’a ve tez çal mas projemizi destekleyen Dokuz Eylül Üniversitesi Bilimsel Ara t rma Projeleri (BAP) Kuruluna te ekkürü bir borç bilirim (Proje No: 2007.KB.FEN.38).
Son olarak, hayat m boyunca hem maddi hem manevi desteklerini, sevgi ve yard mlar n bir an olsun esirgemeyen sevgili anneme ve babama, deste iyle hep yan mda olan sevgili karde im Ahmet’e ve beni doktora tezimin her a amas nda destekleyen ve cesaretlendiren, ehirler ülkeler aras ndaki mesafeleri yok ederek her an yan mda olan e im Bar ’a tüm kalbimle te ekkür ediyorum.
iv ÖZ
Bu tez çal mas nda, organik güne pili malzemelerinin tekstillere uygulanmas yla fotovoltaik etki gösteren tekstil yap lar meydana getirilmi tir. Elde edilen esnek yap lar n fotovoltaik özellikleri, standart cam ve plastik güne pilleri ile kar la t r lm t r. Tekstil malzemeleri olarak polipropilen polimer malzemesi esasl monofilament ve eritlerin kullan ld polimer esasl güne pili yap lar nda, alt elektrot için farkl polimer esasl malzemeler (PEDOT:PSS ve CNT:PANI) ve gümü tabakas , fotoaktif tabaka için P3HT:PCBM ve MDMO-PPV:PCBM malzemeleri ve üst elektrot için ise farkl effaf metal tabakalar (LiF/Al, Al/Ag) kullan lm t r. Standart güne pillerinin tersine, n üst elektrottan gelecek ekilde planlanmas nedeniyle effaf üst elektrotlar n kullan lmas ve ITO yerine polimerik anot ve baz çal malarda gümü metal tabakas n n denenmesi çal man n özgün niteliklerini olu turmaktad r. Tüm deneyler içerisinde polipropilen eritler için en iyi verim yüzde 0,33 olarak bulunurken, enine kesiti yuvarlak monofilament için yüzde 0,02 olarak elde edilmi tir. Fotovoltaik yap lar de erlendirilirken UV-Vis so urma spektrumlar , AFM ve SEM mikroskopi teknikleri kullan larak elde edilen görüntüler, ak m-gerilim (I-V) ölçümleri ve monokromatik foton-ak m dönü üm verimi (IPCE) ölçümleri gerçekle tirilerek grafikler ve de erlerle gösterilmi tir.
Güne enerjisini kullanarak elektrik enerjisi üreten bu fotovoltaik tekstil yap lar ile yak n gelecekte ta nabilir küçük elektronik cihazlar n elektrik enerjisi ihtiyaçlar n kar lamak amaçlanmaktad r. Bu yap lar n geli tirilmesi ile her ko ulda, ayd nlatma, so utma, s tma ve benzeri amaçlar için gerekli enerji ihtiyac n n kar lanmas dü ünülmektedir.
v ABSTRACT
In this thesis, textile structures which show photovoltaic effects were developed applying organic based solar cell materials onto textiles. Photovoltaic characteristics of developed flexible devices were compared with conventional solar cells consist of glass and plastic substrates. In organic solar cells which employed polypropylene monofilament and tapes as textile based materials, polymeric materials (PEDOT:PSS and CNT:PANI) and silver layer was used as bottom electrode, P3HT:PCBM and MDMO-PPV:PCBM mixtures were used as photoactive layer and different transparent metal layers (LiF/Al, Al/Ag) were used as top electrode. Contrary to standard solar cells, semi-transparent cathodes were used so that light has come through upper electrode which forms one of the original aspects of this work. An efficiency of 0.33 percent for polypropylene tapes and an efficiency of 0,02 percent for polypropylene fibres were obtained, using polymeric anode and in some experiments, silver metal layer to substitute ITO. By using UV-Vis apsorption spectra, images from AFM and SEM microscopy techniques, measurements of current-voltage (I-V) and monochromatic photon-current conversion efficiency (IPCE) photovoltaic structures were evaluated.
Photovoltaic textile structures generating electricity using solar energy is to satify power requirements of portable small electronic devices in the near future. With further development of these devices, power requirements may be generated for various end uses such as lighting, cooling, heating.
vi
Sayfa
DOKTORA TEZ SINAV SONUÇ FORMU ...ii
TE EKKÜR...iii
ÖZ ... iv
ABSTRACT... v
BÖLÜM B R - G R ... 1
1.1 Fotovoltaik Güne' Pilleri ... 1
1.1.1 Yenilenebilir Enerji ve Durumu... 1
1.1.2 Güne' I'010 ... 1
1.1.3 Güne' Enerjisi ... 4
1.1.4 Güne' Pilleri (Fotovoltaik Piller)... 4
1.1.5 Fotovoltaik Etki... 5
1.1.6 Güne' Pillerinin Tarihsel Geli'imi... 5
1.1.7 Fotovoltaik Teknolojileri ... 7
1.1.7.1 Tek Kristalli ve Çok Kristalli Silikon Esasl0 Güne' Pilleri... 7
1.1.7.2 nce Film Teknolojisi ile Üretilen Güne' Pilleri ... 7
1.1.7.3 Çoklu Eklemli Piller... 8
1.1.7.4 Foto-elektrokimyasal Güne' Pilleri... 8
1.1.7.5 Organik Güne' Pilleri... 9
1.1.8 Fotovoltaik Teknolojisinin Dünyadaki Durumu ... 9
1.1.9 Türkiye’de Güne' Enerjisi ve Fotovoltaik Teknoloji ... 11
1.1.9.1 Güne' Toplay0c0lar0... 12
1.1.9.2 Güne' Pilleri... 13
1.2 Teknik Tekstiller- Ak0ll0 Tekstiller ... 14
1.2.1 Sentetik Lifi Nitelikli Life Dönü'türen Katk0 Maddeleri... 16
vii
2.1 Organik Güne' Pilleri... 24
2.2 Organik Yar0 iletkenler ve Yap0sal Özellikleri ... 24
2.2.1 S0v0 Kristaller ... 27
2.2.2 Karbon Nanotüpler... 27
2.2.3 letken Polimerler... 28
2.2.3.1 Konjüge Polimerler ... 28
2.3 norganik ve Organik Güne' Pillerinin Kar'0la't0r0lmas0... 29
2.4 Fotovoltaik Etki Olu'umu... 30
2.4.1 I'010n Emilmesi ve Elektron-Bo'luk Çiftinin Olu'mas0 ... 31
2.4.2 Elektron-Bo'luk Çiftinin Ayr0lmas0 ve Difüzyonu... 34
2.4.3 Yüklerin lgili Elektrotlara Toplanmas0 ... 34
2.4.4 Elektrotlarda Durum ... 36
2.5 Organik Güne' Pillerinin Özellikleri ... 37
2.6 I'0k Yayan Diyotlar ve Fotovoltaik Piller ... 40
2.7 Organik Güne' Pili Tipleri ... 42
2.7.1 Tek Tabakal0 Cihazlar... 42
2.7.2 ki Tabakal0 Heteroeklem Tipi ... 42
2.7.3 Kar0'0m Heteroeklem Tipi... 43
2.7.4 Lamine Edilen Tabakalar ... 44
2.7.5 Da10lm0' ki Tabakal0 Heteroeklem Tipi ... 45
2.8 Organik Güne' Pillerinin Olu'turulmas0nda Kullan0lan Yöntemler ... 45
2.9 Organik Güne' Pillerinin Tekstil Uygulamalar0 ... 46
BÖLÜM ÜÇ - MATERYAL VE METOD ... 51
3.1 Polimer Esasl0 Organik Güne' Pilleri için Kullan0lan Ta'0y0c0 Tabakalar... 51
3.2. Esnek Polimer Anot Olarak Kullan0lan PEDOT:PSS Kar0'0mlar0... 52
3.2.1. Dü'ük letkenlikli PEDOT:PSS (Baytron PH PEKA)... 54
viii
3.2.3.1 Baytron PH 500:CNT-PANI ve Baytron PH PEKA:CNT-PANI... 54
3.3. Polimer Esasl0 Organik Güne' Pillerinde Fotoaktif Tabakay0 Olu'turan Kimyasal Maddeler ... 55
3.3.1. Elektron Verici: MDMO-PPV ... 55
3.3.2 Elektron Verici: P3HT ... 55
3.3.3 Elektron Al0c0: PCBM... 56
3.4 Polimer Esasl0 Organik Güne' Pillerinde Kullan0lan Üst Metal Elektrotlar: Katotlar... 57
3.5 Geli'tirilen Güne' Pillerinin Karakterizasyonu ... 59
BÖLÜM DÖRT - DENEYSEL ÇALI MA ... 62
4.1 Bilinen Organik Güne' Pilinin Haz0rlanmas0 ( ndiyum Katk0l0 Kalay Oksit (ITO) Kapl0 Cam Üzerinde Polimer Esasl0 Organik Güne' Pili)... 63
4.1.1.Katman 1: Ta'0y0c0 Tabakalar0n Haz0rlanmas0... 63
4.1.2 Katman 2 ve 3: PEDOT:PSS ve Fotoaktif Tabakan0n Kaplanmas0 ... 64
4.1.3 Katman 4: Metal Üst Elektrotun Kaplanmas0 ... 64
4.2 Uyarlanan Organik Güne' Pilinin Haz0rlanmas0 ( ndiyum Katk0l0 Kalay Oksit Kapl0 Cam Üzerinde Polimer Esasl0 Organik Güne' Pili) ... 66
4.3 Yeni Geli'tirilen Esnek Güne' Pilinin Haz0rlanmas0 (Polipropilen (PP) 'erit, PP monofilament ve Polietilentereftalat (PET) Folyo Üzerinde Polimer Esasl0 Organik Güne' Pili) ... 66
4.3.1 Ta'0y0c0 Tabakalar0n (Katman 1) Kaplama 'lemine Haz0rlanmas0... 66
4.3.2 PEDOT:PSS’nin ve Fotoaktif Tabakan0n Haz0rlanmas0 ... 67
4.3.2.1 Katman 2: PEDOT:PSS’nin Haz0rlanmas0 ... 67
4.3.2.2 Katman 3: P3HT:PCBM Kar0'0mlar0n0n Haz0rlanmas0... 67
4.3.2.3 Katman 3: MDMO-PPV:PCBM Kar0'0mlar0n0n Haz0rlanmas0... 69
4.3.3 Polimer Anot PEDOT:PSS’nin ve Fotoaktif Tabakan0n Örneklere Kaplanmas0... 69
ix
5.1 Fotoaktif Tabakas0 P3HT:PCBM Olan Güne' Pilleri le Elde Edilen Sonuçlar
... 75
5.1.1 Ta'0y0c0 Tabaka/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al Pil Sistemine Ait Sonuçlar ... 76
5.1.1.1 Ak0m-Voltaj Karakteristikleri ... 77
5.1.1.2 Morfolojik Gözlemler ... 83
5.1.1.3 Farkl0 PEDOT:PSS Tiplerinin Fotovoltaik Performansa Etkilerinin De1erlendirilmesi... 85
5.1.2 Ta'0y0c0 Tabaka/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/AL Pil Sistemine Ait Sonuçlar... 86
5.1.2.1 Ak0m-Voltaj Karakteristikleri ... 86
5.1.2.2 Morfolojik Gözlemler ... 99
5.1.2.3 Enine Kesit Görüntüleri ... 100
5.1.2.4 Foton-Ak0m Dönü'üm Verimi Özellikleri... 101
5.1.2.5 Kullan0lan Farkl0 Ta'0y0c0 Tabakalar0n Fotovoltaik Performansa Etkilerinin De1erlendirilmesi... 102
5.1.3 Ta'0y0c0 Tabaka/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al/Ag Pil Sistemine Ait Sonuçlar... 104
5.1.3.1 Ak0m-Voltaj Karakteristikleri ... 105
5.1.3.2 Foton-Ak0m Dönü'üm Verimi Özellikleri... 112
5.1.3.3 Kullan0lan Farkl0 Üst Elektrotlar0n Fotovoltaik Performansa Etkilerinin De1erlendirilmesi... 112
5.1.4.Ta'0y0c0 Tabaka/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al Pil Sistemine Ait Sonuçlar... 113
5.1.4.1 Ak0m- Voltaj Karakteristikleri ... 113
5.1.4.2 Morfolojik Gözlemler ... 120
5.1.4.3 Kullan0lan Farkl0 Ta'0y0c0 Tabakalar0n ve PEDOT:PSS Tiplerinin Fotovoltaik Performansa Etkilerinin De1erlendirilmesi ... 122
x
5.2.1.1 Ak0m-Voltaj Karakteristikleri ... 123
5.2.1.2 Morfolojik Gözlemler ... 135
5.2.1.3 Enine Kesit Görüntüleri ... 136
5.2.1.4 Foton-Ak0m Dönü'üm Verimi ... 137
5.2.1.5 Kullan0lan Farkl0 Ta'0y0c0 Tabakalar0n Fotovoltaik Performansa Etkilerinin De1erlendirilmesi... 138
5.2.2 Ta'0y0c0 Tabaka/Baytron PH 500/MDMO-PPV:PCBM /Al/Ag Pil Sistemine Ait Sonuçlar... 138
5.2.2.1 Ak0m-Voltaj Karakteristikleri ... 139
5.2.2.2 Foton Ak0m Dönü'üm Verimi ... 144
5.2.2.3 Kullan0lan Farkl0 Ta'0y0c0 Tabakalar0n Fotovoltaik Performansa Etkilerinin ncelenmesi ... 145
5.3. Fotovoltaik Tekstillerin Kullan0m Biçimlerine Öneriler... 146
5.4 Maliyet Analizi... 146
5.5 Fotovoltaik Liflerin Seri Üretimi çin Öneriler... 148
BÖLÜM ALTI - GENEL SONUÇLAR, ÇALI MANIN ÖZGÜN YÖNLER VE ÖNER LER ... 150
6.1 Genel Sonuçlar ... 150
6.1.1 P3HT:PCBM Kullan0lan Fotovoltaik Tekstillerden Elde Edilen Sonuçlar ... 150
6.1.2 MDMO-PPV:PCBM Kullan0lan Fotovoltaik Tekstillerden Elde Edilen Sonuçlar... 152
6.2 Çal0'man0n Özgün Yönleri... 153
6.3 Öneriler ... 154
KAYNAKLAR ... 157
1 1.1 Fotovoltaik Güne Pilleri
1.1.1 Yenilenebilir Enerji ve Durumu
Günlük hayat m zda ve çe itli i sektörlerinde vazgeçemeyece imiz çe itli faaliyetleri gerçekle tirmek için ihtiyaç duydu umuz enerji, günümüzde, çok daha önemli hale gelerek ülkelerin ekonomik ve siyasi geleceklerini de belirleyecek bir kavram eklini alm t r. Günümüzde, nüfus art ve teknolojideki ilerlemelere paralel olarak enerji ihtiyac sürekli artarken özellikle fosil esasl mevcut olan enerji kaynaklar n n dünya üzerinde, k s tl ve tükenmekte olmas , ara t rmac lar yeni enerji kaynaklar bulma ve geli tirmeye yöneltmektedir. Bunun yan nda, son y llarda, küresel s nman n fosil madde esasl yak tlar n da etkisiyle, dünyadaki ya amsal faaliyetleri tehdit edecek bir boyuta ula mas , enerjinin, çevresel aç dan en az zarar verecek biçimde üretimi, iletimi ve tüketiminin gerçekle tirilmesi konusuna ilginin çok daha fazla yo unla mas na sebep olmu tur.
1.1.2 Güne I
Güne , dünyadaki tüm canl lar için en önemli enerji kayna d r. Güne , kendi yap s nda bulunan hidrojeni, helyuma büyük bir termonükleer füzyon reaksiyonu içinde dönü türürken, kütle, enerjiye Einstein’ n ünlü E=m*c2 formülü ile çevrilir. Bu reaksiyon sonucunda güne in yüzeyi 5800 Kelvin (K) olur ve bu enerji uzaya her yönde ma yaparak yay l r. Zamanla bu enerji, dünyaya kadar 150 milyon km yol kateder (Messenger ve Ventre, 2004).
Güne n m tayf (=spektrum), yakla k 5800 K’lik bir s cakl kla, kara cisme (elektromanyetik n m n tüm dalga boylar n emen nesne) yak nl k gösterir. Bu tayf n yakla k yar s , elektromanyetik tayf n görünür k sa dalga parças içinde ve di er yar ya yak n genelde k z lötesine (infrared) yak n bir bölümde yer al r. Kalan
k s m da tayf n morötesi (ultraviyole) k sm nda yer al r. Morötesi n m, atmosfer veya di er koruyucu bir tabaka taraf ndan emilmezse, insan cildinin renk de i tirmesine (pigmentle mesine) neden olur. Dünya yüzeyine çarpan elektromanyetik n m tayf 100 ile 106nanometre (nm) aras ndad r. Bu, artan dalga boyu büyüklü üne göre a a da belirtilen be bölgeye ayr lmaktad r (5ekil 1.1) (Anonim, 2009a).
Morötesi C (Ultraviolet C: UVC) bölgesi, 100 ile 280 nm dalga boyu aral aras ndaki bölgeyi kapsar. Morötesi terimi, n m n k rm z ktan daha yüksek frekansta oldu u anlam nda kullan l r ve ayr ca insan gözüne görünmez. Atmosfer taraf ndan emilim nedeniyle Dünya yüzeyine (Litosfer) çok az miktar ula r. UVC
n m tayf , mikrop öldürücü özelliklere sahiptir ve antiseptik lambalarda kullan l r. Morötesi B (Ultraviolet B: UVB) bölgesi, 280 ile 315 nm dalga boyu aral n kapsar. Ayr ca büyük miktar atmosfer taraf ndan emilir. UVC ile birlikte ozon tabakas n n olu mas ndan sorumlu olan fotokimyasal reaksiyonun olmas n sa lar.
Morötesi A (Ultraviolet A: UVA) bölgesi, 315 ile 400 nm dalga boyu aral n kapsar. DNA’ya daha az zarar vermekte oldu u için güne banyosu yap lmas ve sedef hastal için PUVA (psoralenle uzun dalga boylu ultraviyole olan UVA'n n kombinasyonu) terapisinde kullan l r.
Görünür bölge veya k 400 ile 700 nm dalga boyu aral n kapsar. Bu aral k ad ndan da anla laca üzere ç plak gözle görülebilen bölgedir.
K z lötesi bölge 700 nm ile 106 nm (=1mm) dalga boyu aral n kapsar. Güne taraf ndan sa lanan s tmadan büyük ölçüde sorumludur. Dalga boylar na göre 3 tipe ayr labilir:
K z lötesi-A: 700-1400 nm K z lötesi-B: 1400-3000 nm
5ekil 1.1 Güne spektrumu (Anonim, 2009b)
Ayd nlan m veya güne radyasyonu (=irradiance) güne güç iddetinin ölçüsüdür ve W/m2olarak ölçülür. Ayd nl k veya parlakl k (=irradiation) ise kWh/m2 olarak ölçülen gün enerji iddetidir. Ayd nlan m, anl k bir miktard r. Dünya için ayd nlan m sabiti, Dünya taraf ndan atmosferin en tepesinde güne ten al nan ayd nlan m iddetidir. Dünya atmosferinin d nda güne enerjisinin bu iddeti, 1367 W/m² de erindedir ve AM0 olarak gösterilir, yeryüzünde ise 0-1100 W/m2 de erleri aras nda de i im göstermektedir. Güne , Dünya’n n atmosferine geldi i zaman, bir k sm emilir, bir k sm saç l r ve bir k sm da etkilenmeden atmosferdeki moleküllerin içinden geçer ve tabandaki nesneler taraf ndan ya emilir ya da yans t l r. Güne in içinden geçti i farkl moleküller güne na farkl etkiler yaparlar. Su buhar , karbondioksit, ozon gibi her bir molekülün güne n emdi i ya da saçt belirli farkl dalga boylar vard r. Emilen veya saç lan gün miktar , gelen n atmosferde izledi i yola ba l d r. Bu yol uzunlu u, do rudan deniz seviyesine inen dikey bir yolla kar la t r l r ve hava kütlesi (=air mass) AM1 olarak adland r l r. Bu ayd nlan m, AM1’lik bir yol uzunlu uyla atmosferin içinden geçtikten sonra yakla k 1000 W/m2’ye dü er ve atmosferik emilim nedeniyle modifiye edilmi spektral içeri e sahiptir (Messenger ve Ventre, 2004).
1.1.3 Güne Enerjisi
Güne , bol, s n rs z, yenilenebilir ve en önemlisi de herhangi bir bedel ödenmeden kolayca eri ilebilen bir enerji kayna d r. Ayr ca di er fosil kaynakl yak tlar n kullan lmas ile ortaya ç kan çevresel sorunlar n güne ndan enerji üretiminde bulunmamas nedeniyle temiz ve çevre dostu bir enerjidir. Güne enerjisi teknolojileri, malzeme, yöntem ve teknolojik düzey aç s ndan çe itlilik göstermekle birlikte s tma amaçl ( s l) güne teknolojileri ve elektrik üreteçleri (güne pilleri) olarak iki ana gruba ayr labilir. Güne pillerinde do rudan elektrik enerjisi elde edilirken s l güne teknolojilerinde öncelikle s elde edilmektedir, daha sonra bu s ba ka enerji türlerine çevrilebilir (Elektrik Fdaresi Etüt Müdürlü ü [EFE], 2009).
1.1.4 Güne Pilleri (Fotovoltaik Piller)
Fotovoltaik, görünür veya di er k nlar na maruz kald nda, elektriksel gerilim fark (voltaj) üretimi yapabilme özelli idir. “Fotovoltaik pil” ise fotovoltaik özellik sonucu elektrik enerjisi üreten yap lard r. Yayg n olarak “Fotovoltaik pil” tan mlamas kullan lmas na ra men, “bariyer tabakal fotopil”, “kendi kendine üreten pil”, “güne pili”, “fototronik fotopil” gibi isimlerle de adland r lmaktad r (Graf, 1999). Dolay s yla güne pilleri, yüzeylerine gelen güne n kullanarak do rudan elektrik enerjisine dönü türen yar iletkenleri içeren ve mevcut yenilenebilir enerji kaynaklar aras nda en temizlerden birisi olan yap lard r. Yar iletken malzeme, metaller ile yal tkan bir tabaka (genellikle cam) aras nda yer al r ve üzerine dü en
k miktar na paralel olarak elektrik enerjisi üretiminde görev al r. Geleneksel olarak, güne pilleri, gün n kullanan çok ince ve rijit yap lard r. Ancak son y llardaki geli meler, sadece gün n kullanan ve karanl kta i levsiz kalan klasik güne pillerinin tersine yeni polimer maddeler ile güne spektrumunun farkl bölümlerinden enerji kullanabilecek (k z lötesi (Janssen, 2006) ve morötesi (Yamaura, Muraoka, Yamauchi, Muramatsu, ve Hiroi, 2003) nlar gibi) pillerin yap labilece ini de göstermi tir.
1.1.5 Fotovoltaik Etki
Fotovoltaik etki a a da verildi i gibi pek çok biçimde tan mlanmaktad r:
i. Uygun bir dalga boyundaki mayla ayd nlat lan malzemede bir elektrik alan yani voltaj (gerilim fark ) olu mas d r.
ii. Fotovoltaik etki, homojen olmayan silikon gibi bir yar iletken içinde veya iki tip materyalin aras ndaki eklemde voltaj üretimini anlatmaktad r.
iii. Emilen foton enerjisi nedeniyle yar iletken PN eklemi (= PN junction) boyunca voltaj üretimidir (Bak n z Bölüm 2.2).
iv. Fotovoltaik etki, iki elektrottan birine n etkidi inde, ikisinin aras nda elektrik potansiyeli fark n n yarat lmas d r (Graf, 1999).
1.1.6 Güne Pillerinin Tarihsel Geli imi
Ara t rmac lar 1800’lerden bu yana fotovoltaik konusu üzerinde çal maktad rlar. Fotovoltaik etkinin ke fedilmesini, ilk defa, bromür veya gümü klorid kapl platin elektrotlar n sulu bir çözelti içindeyken ayd nlat ld nda bir ak m olu tu unu gözlemleyen Alexandre-Edmond Becquerel’ n 1839 y l nda gerçekle tirdi i belirtilmektedir, ancak bu fotokimyasal bir etkidir (Goetzberger, Luther, ve Willeke, 2002; Spangaard ve Krebs, 2004). Fotoiletkenlik konusundaki ilk çal malar Smith (1873 y l nda) ve Adams (1876 y l nda) taraf ndan selenyum kullan larak %1-%2 verimle rapor edilmi tir. Pochettino (1906 y l nda) ve Volmer (1913 y l nda) ise, fotoiletkenlik gözlemlenen ilk organik bile ik antrasen üzerine çal m lard r. Silisyum kullan lan ilk güne pili 1918’de, Germanyumdan ilk pil ise 1951 y l nda geli tirilmi tir. Flk silikon esasl inorganik güne pili, Bell Laboratuvarlar nda Chapin ve ark. taraf ndan (1954 y l nda) %6 verim ile geli tirilmi tir ve bu verim k sa sürede %10’a yükseltilerek uzun zaman bu ekilde, ana uygulama alan , uzaydaki uygulamalarda güç kaynaklar olmak üzere kullan lm t r (Goetzberger ve ark., 2002). Tek kristal silikon esasl güne pilleri günümüzde laboratuvar ortam nda ~%24 verime ula m t r (Green, Emery, King, Igari ve Warta, 2003). Silikon esasl güne pilleri, di er fotovoltaik piller içerisinde %99’luk bir paya sahiptir. 1960’lar n ba lar nda yar iletken özelli e sahip pek çok boya ke fedilmi (Bube, 1960) ve daha
sonralar bunlar, fotovoltaik etki gösteren ilk organik malzemeler aras na yer alm t r. Carlson ve Wronski taraf ndan (1976 y l nda) ilk amorf silikon güne pili (%1,1 verimle) geli tirilmi tir (Goetzberger, Hebling ve Schock, 2003).
Bir güne pili ilk defa Vanguard-1 isimli uyduya (1958 y l nda) enerji (0,1 watt) sa lamak için kullan lm t r. 1973 y l nda petrol krizinin olmas fotovoltaiklerin dünya üzerindeki uygulamalarda da kullan labilece i dü üncesinin olu mas nda etkili olmu tur. 1970’lerin ortas ndan bu yana önce binalar n çat lar nda veya sabit olarak bo alanlarda daha sonralar uçaklar ve güne arabalar nda, trafik lambalar nda, hesap makinalar nda, çad rlarda ve art k tekstil yüzeyleri de dahil olmak üzere ta nabilir her türlü yap üzerinde, savunma, spor ve elektronik sanayilerinde ve gündelik ya amda, s kl kla, fotovoltaik modüller kullan lmaktad r. 1980 y l nda güne enerjisiyle çal an ilk uçak yolculu u, 2002’de kanatlar fotovoltaik modüllerle kaplanm insans z ilk uça n (Pathfinder) uçu u ilginç örnekler aras ndad r (Alt n, 2006). Tablo 1.1’de organik güne pillerinin geli tirilmesinde büyük önem ta yan dönüm noktalar belirtilmektedir.
Tablo 1.1 Organik güne pilleri için baz önemli dönüm noktalar (Spangaard ve Krebs, 2004) 1839 Becquerel taraf ndan fotoelektrokimyasal olay n gözlenmesi
1906 Pochettino’nun antrasenin fotoiletkenli i üzerinde çal mas
1958 Kearns ve Calvin’nin magnezyum pitalosiyaninlerle (MgPh) çal arak 200 mV fotovoltaj elde etmesi
1986 Tang’ n ilk heteroeklem fotovoltaik cihaz geli tirmesi
1991 Hiramoto’nun ilk ilk boya/boya kar m heteroeklem fotovoltaik yap y birlikte süblimle tirme ile gerçekle tirmesi
1993 Sar çiftçi’nin ilk polimer/C60 heteroeklem cihaz yapmas
1994 Yu’nun ilk kar m polimer/C60 heteroeklem cihaz yapmas
1995 Yu ve Hall’ n ilk kar m polimer/ polimer heteroeklem cihaz yapmas
2000 Peters ve van Hal’ n oligomer C60 çiftli ve üçlülerini fotovoltaik pillerde aktif malzeme olarak kullanmas
2001 Schmidt-Mende’nin hegzabenzocoronen ve perilenden kendi kendine organize olabilen s v kristal güne pili yapmas
1.1.7 Fotovoltaik Teknolojileri
1.1.7.1 Tek Kristalli ve Çok Kristalli Silikon Esasl Güne Pilleri
Tek kristalli yada çok kristalli silikon esasl güne pilleri, birinci nesil güne pili teknolojisidir. Silikon teknolojisi, fotovoltaiklerin geli tirilmesinden çok daha önce geli tirilip büyük miktarlarda mikroelektronik endüstrisinde kullan lmakta oldu u için, bu alandaki çal malar bu malzemelerle ba lat lm ve devam ettirilmi tir. Tek kristalli silikon için laboratuvar ortam nda en iyi verim %24,7 olarak gerçekle mi tir. Güne pilleri için yüksek safl kta silikon gerekmesi, n so urulmas için kal n kristal yap da silikona ihtiyaç duyulmas (%90 so urma için 100 mikrometre) ve ayr ca modül maliyetinin %50’sini silikon levhalar n n i lenmesinin olu turmas ara t rmac lar yeni malzemeler aramaya yönlendirmi tir (Goetzberger ve ark., 2002).
1.1.7.2 nce Film Teknolojisi ile Üretilen Güne Pilleri
Silikon ince filmler (amorf silisyum (a-Si), protokristal, nanokristal (nc-Si), mikrokristal ve kristal silisyum (c-Si)), kadmiyum tellür (CdTe), bak r indiyum galyum selenid (CIGS) gibi ince filmler ikinci nesil güne pili teknolojisi ürünleridir. Ara t rmac lar, ince film güne pillerinin üretimine daha dü ük üretim maliyetleri nedeniyle yönelmi tir. Silisyum esasl piller 100 cm2’lik alanlarda üretilebilmekteyken, ince filmler istenilen büyüklükte üretilebilmektedir. CIGS ince filmler, e zamanl buharla t rma (=coevaporation) veya öncü tabakalar n biriktirilmesinden sonra H2Se buhar ile selenleme yap larak üretilebilmektedir. Laboratuvar artlar nda %17,7 ve enerji üretimi amaçl geli tirilmi olan prototip modülde ise %10,2 verim elde edilmi tir. Kristal ve amorf teknolojilerin heteroyap larda bir araya getirilmesiyle ( c-Si ve a-Si kombinasyonu) yüksek verim, nispeten dü ük i lem s cakl klar (<200°C) ve dü ük teknoloji maliyeti gibi avantajlar sa lanabilmektedir. Yüksek kristalli yap da bir malzeme olan CdTe’nin verimi laboratuvar tipi küçük pillerde yakla k %16, ticari modüllerde ise yakla k %7 olarak elde edilmektedir. CdTe esasl güne pillerinin maliyetleri silikon esasl lara göre daha dü üktür (EFE, 2009). Fnce filmlerde kullan lan yar iletken
malzemeler silisyuma göre çok daha yüksek so urma katsay s na sahiptirler, bu da pahal olan yar iletkenlerin daha az kullan lmas n sa lam t r (Goetzberger ve ark., 2002).
1.1.7.3 Çoklu Eklemli Piller
Ard ard na s ralanm veya çoklu eklemli güne pillerinde kullan lan GaAs, GaAlAs, GaInAsPO, InAs, InSb ve InP gibi yar iletkenler, farkl bant aral klar yla bir araya gelerek, güne spektrumu enerjisinin daha fazla bir bölümünü kullanacak bir bant aral na sahip olurlar ve daha iyi bir performans gösterirler. Ancak bu malzemeler çok pahal d r ve dolay s yla en önemli kullan m alan uzay uygulamalar d r. Dünyadaki uygulamalar için ise, çok dü ük elektrik üretim maliyetine sahip optik yo unla t r c teknoloji geli tirilmi tir (Swanson, 2000). Bu
ekilde yo unla t r c pil ile %30 verim elde edilebilmektedir. Örne in, Galyum Arsenit (GaAs) laboratuvar artlar nda %25 ve %28 (optik yo unla t r c l ) verim elde edilmektedir. Di er yar iletkenlerle birlikte olu turulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmi tir. GaAs güne pilleri uzay uygulamalar nda ve optik yo unla t r c l sistemlerde kullan lmaktad r (EFE, 2009; Goetzberger ve ark., 2002).
1.1.7.4 Foto-elektrokimyasal Güne Pilleri
Foto-elektrokimyasal güne pilinde fotoaktif tabaka olarak yar iletken-elektrolit eklemi kullan lmaktad r. Uygun bant aral na sahip yar iletkenlerin kararl olmamas , geni bant aral kl malzemelerin ise kararl olmas na ra men dü ük verim göstermesi, çal malar n s n rl kalmas na sebep olmu tur. H zl yenileyici foto-elektrokimyasal i lem mekanizmas na dayanan boya ile duyarl hale getirlmi piller ile (nano-kristal yap l TiO2 filmi, rutenyum bipiridil kompleksi boyalar ile duyarl hale getirilmi tir.) %10 verim elde edilebilmi tir (O’Regan ve Gratzel, 1991). Bu pilin, klasik güne pilleri ile kar la t r ld nda temel fark , k so urulmas ndan sorumlu olan fonksiyonel eleman n boya olmas ve kendi kendine elektrondan ayr larak mekanizmay yeniden ba latmas d r. Çok saf olmayan ba lang ç
malzemeleri ve basit pil yap m a amas (silikon esasl pil yap m ndaki temiz odalar n gerekmemesi) avantajlar yla bu tip pillerin gelece i parlak görünmektedir. Ancak zaman içerisindeki kararl l , s cakl k de i im aral klar ve elektrolit tabakan n korunmas konular üzerinde daha fazla çal lmas gerekmektedir (Goetzberger ve ark., 2002).
1.1.7.5 Organik Güne Pilleri
Organik yar iletkenlerin dü ük maliyetle ve kolay yöntemlerle sentezlenmesi ve bunlar n kullan lmas ile üretilen ince film pillerin vakumda buharla t rma veya süblimle tirme ya da çözeltiden veya bask yaparak kaplama gibi kolay yöntemlerle imal edilebilmesi, organik malzemelerden güne pili elde edilmesi konusunda çal malar n ortaya ç kmas na ve günümüzde de devam etmesine olanak sa lam t r (Güne , Neugebauer ve Sar çiftçi, 2007). Organik güne pillerinde, organik yar iletkenler, iletken polimerler, boyalar, pigmentler ve s v kristaller kullan labilmektedir. Bu konuda Bölüm 2’de daha ayr nt l bilgi verilecektir.
1.1.8 Fotovoltaik Teknolojisinin Dünyadaki Durumu
Dünya genelinde, fotovoltaik teknoloji pazar h zla büyümektedir ve yap lan çal malar önümüzdeki y llarda bu büyümenin devam edece ini göstermektedir. Tüm dünya genelinde, toplam kapasite, 2007 sonunda, 9 GWp (gigawatt-peak) miktar n a m t r. Avrupa’da yakla k 1,5 milyon konutun elektri i fotovoltaik sistemler ile üretilen elektrik enerjisi ile kar lanabilmektedir (Avrupa Fotovoltaik Endüstrisi Kurumu [EPIA], 2008). 5ekil 1.2 ve 5ekil 1.3’de mevcut durum ve ileriye dönük fotovoltaik geli imi görülmektedir.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 1994 1995 1996 1997 1998 19992000 2001 2002 2003 2004200520062007 Y%llar F ot ov ol ta ik k ap as it es i( M W p ) Dünya Avrupa
5ekil 1.2 Y llara göre fotovoltaik enerji kapasitesi (EPIA, 2009)
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Y%llar F ot ov ol ta ik k u ru lu gü cü (M W p
5ekil 1.3 2012 y l na kadar dünya genelinde fotovoltaik kurulu gücü de i im öngörüsü (EPIA, 2009)
Geçti imiz son be y lda, dünya genelinde fotovoltaik pil üretimi, y ll k bazda yakla k %30 oran nda bir büyüme göstermi tir. 2007 y l dünya fotovoltaik pil üretim pazar 2826 MW'a ula m t r. 2007 fotovoltaik pil pazar n dünya baz nda
inceleyecek olursak en büyük paya %47 ile Almanya’n n, onun arkas ndan ise %23 ile Fspanya’n n sahip oldu u görülmektedir (EFE, 2009).
Almanya 47% Fspanya 23% Japonya 8% Amerika 8% Di er avrupa devletleri 6% Di er dünya devletleri 8% Almanya spanya Japonya Amerika Di er avrupa devletleri Di er dünya devletleri
5ekil 1.4 2007 y l dünya fotovoltaik güne pili pazar (EPIA, 2009).
1.1.9 Türkiye’de Güne Enerjisi ve Fotovoltaik Teknoloji
Türkiye, elektrik enerjisini, kömür, do al gaz, akaryak t, jeotermal ve son zamanlarda rüzgar enerjisi ve hidroelektrik santraller gibi sistemlerle üretmektedir. TEIAS taraf ndan 2006 y l için verilen elektrik enerjisi miktar 174.000 GWsaat’t r. Bu elektrik enerjisi, %74,82 oran nda termik santraller, %25,11 oran nda hidroelektrik enerjisi ve %0.07 oran nda rüzgar enerjisi ile üretilmektedir. Is l yöntemle elektrik enerjisi üretiminde linyit %18,37, do al gaz %44’lük bir paya sahiptir. Di er enerji kaynaklar ile kar la t r ld nda bu büyük enerji talebi için fotovoltaik sistemlerin henüz önemli bir katk s n n olmad görülmektedir. Ayr ca, Türkiye’de henüz devletin fotovoltaik sistemleri destekleme konusuna önemli bir katk s da bulunmamaktad r. Türkiye’nin y ll k güne enerjisi potansiyelinin 1015 kWsaat oldu u tahmin edilmektedir ve bu miktar, u andaki elektrik tüketiminden
5700 kat daha fazlad r. Ancak günümüzde, Türkiye’de fotovoltaik pil üretimi yapan bir firma da bulunmamaktad r (Fçli ve Çubukçu, 2007).
Türkiye, co rafi konumu nedeniyle sahip oldu u güne enerjisi potansiyeli aç s ndan birçok ülkeye göre ansl durumdad r. Elektrik F leri Etüt Fdaresi (EFE) taraf ndan, 1966-1982 y llar nda Devlet Meteoroloji F leri Genel Müdürlü ü (DMF) taraf ndan ölçülen güne lenme süresi ve n m iddeti verilerinden de yararlan larak yap lan çal maya göre, Türkiye'nin ortalama y ll k toplam güne lenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama toplam n m iddeti y lda 1311 kWh/m² (günlük toplam 3,6 kWh/m²) oldu u tespit edilmi tir. Güne Enerjisi potansiyeli 380 milyar kWh/y l olarak hesaplanm t r. Bu potansiyel, toplam 56.000 MW kurulu güce sahip do al gaz çevrim santrali elektrik enerjisi üretimine e de erdir (Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanl , 2009). Tablo 1.2’de verilen de erler de incelendi inde, Türkiye'nin en fazla güne enerjisi potansiyeli ve güne lenme süresine sahip bölgesinin Güney Do u Anadolu Bölgesi oldu u, bunu Akdeniz Bölgesinin izledi i anla lmaktad r (EFE, 2009).
Tablo 1.2 Türkiye'nin y ll k toplam güne enerjisi potansiyelinin bölgelere göre da l m (EFE, 2009)
Bölge Toplam güne enerjisi
(kWh/m2-y%l)
Güne lenme süresi (Saat/y%l) G.Do u Anadolu 1460 2993 Akdeniz 1390 2956 Do u Anadolu 1365 2664 Fç Anadolu 1314 2628 Ege 1304 2738 Marmara 1168 2409 Karadeniz 1120 1971
1.1.9.1 Güne Toplay c lar
Güne toplay c lar (=solar colectors) ülkemizde, ço u Akdeniz ve Ege Bölgelerinde kullan lmakta olan, güne enerjisini s enerjisine dönü türen s cak su
üretme sistemleridir. Bugüne kadar, ülkemizde kurulu olan güne toplay c lar miktar yakla k 12 milyon m² olup, y ll k toplay c üretim miktar , dünya üretimi içerisinde önemli bir paya sahip olarak 750 bin m²dir. Bu üretimin bir k sm yurtiçinde kullan lmakta bir k sm ise ihraç edilmektedir. Güne enerjisinden s enerjisi y ll k üretimi 420 bin TEP (petrole e de er ton =Ton Equivalent Petroleum) civar ndad r. Güne toplay c lar n n üretti i s l enerjinin Türkiye’nin birincil enerji tüketimine katk s y llara göre Tablo 1.3’te yer almaktad r.
Tablo 1.3 Güne toplay c lar n n y llara göre üretim miktarlar (EFE, 2009)
Y%l Güne Enerjisi Üretimi (bin TEP )
1998 210 1999 236 2000 262 2001 290 2004 375 2007 420
TEP: Petrole e de er ton (Ton Equivalent Petroleum)
1.1.9.2 Güne Pilleri
Türkiye’de güne pilleri (5ekil 1.5), elektrik ebekesinin olmad , yerle im yerlerinden uzak yerlerde (sinyalizasyon, k rsal elektrik ihtiyac n n kar lanmas gibi uygulamalarda) ekonomik yönden uygun olarak kullan labilmektedir.
5ekil 1.5 Elektrik ihtiyac n kar lamak amac yla kurulmu tek kristalli güne pili sistemi (1.6 kWp gücünde) (EFE, 2009)
Ülkemizde ço unlu u orman gözetleme kuleleri, haberle me istasyonlar , deniz fenerleri ve otoyol ayd nlatmas nda ve ayr ca Elektrik F leri Etüt Fdaresi Genel Müdürlü ü, Mu la Üniversitesi, Ege Üniversitesi gibi kamu kurulu lar nda olmak üzere, küçük güçlerin kar lanmas ve ara t rma amaçl kullan lan güne pili kurulu gücü 1 MW'a ula m t r.
Fotovoltaik teknolojisi ara t rma ve geli tirme konular nda, TÜBFTAK Marmara Ara t rma Merkezi (MAM), çe itli üniversiteler (Ege Üniversitesi Güne Enerjisi Ara t rma Enstitüsü, Mu la Üniversitesi, ODTÜ, Kocaeli Üniversitesi, F rat Üniversitesi) ve EFE çal malar yapmaktad r. Güne enerjisi verilerinin ölçülmesi konusunda EFE ile birlikte Devlet Meteoroloji F leri Genel Müdürlü ü de faaliyet göstermektedir. Bu konuda Türk Standartlar Enstitüsü (TSE) de uygulama ve test yöntemleri ile ilgili standartlar ç kartmaktad r.
Çe itli aç k alan uygulamalar nda, güne pili ayd nlatma birimlerinde gün boyunca güne enerjisinden üretilen elektrik ile akü arj edilebilmektedir. Geceleri ayd nlatma amaçl olarak ve gündüz de ebekeden uzak yerlerde dizel motor pompalar yla ekonomik olarak rekabet edebilen su pompalama sisteminde kullan lmaktad r. Örne in, 616 Wp gücünde bir güne pili, invertör ve dalg ç pompa kullan larak y lda yakla k 11000 m3 su pompalayabilmektedir. Karayollar nda, uygulanan güne pilli trafik ikaz sistemi çal malar nda, kullan lan uyar lambalar n n güne pilleri arac l yla çal t r lmas n amaçlayan proje ba ar l biçimde gerçekle tirilmi tir (EFE, 2009).
1.2 Teknik Tekstiller- Ak%ll% Tekstiller
Dünya nüfusunun artmas na paralel olarak insanlar n ihtiyaç duyduklar ürünlerin de çe itlili i, modadaki de i imler ve yeni kullan m alanlar nedeniyle gün geçtikçe artmaktad r. Di er ürünlerde oldu u gibi, günümüzde tekstil ürünleri de geleneksel kullan m ekli olan örtünme ve giyinme kullan m n n d na ç karak, günlük hayatta ve endüstride pek çok gereksinimi kar layacak i levsel özellikli ürünler haline gelmi tir. Özellikle, görünü ve estetik özellikler gibi bilinen tekstil özellikleri
d nda, çe itli teknik performanslar ve i levsel özellikleri için geli tirilerek üretilen tekstil ürünleri ya da malzemeleri, yani teknik tekstiller, 1980’li y llardan itibaren h zl bir ekilde geli mi , yo un bilgi ve teknoloji gerektiren günümüzün katma de eri yüksek alanlar ndan biri haline gelmi tir (FTKFB, 2008).
Ak ll tekstiller, teknik tekstiller içerisinde, her türlü, çevresel artlar ve uyaranlar (elektriksel, kimyasal, termal, manyetik, k ve benzeri) alg lama ve hissetme yetene ine sahip olup, uyaranlar de erlendirerek onlara tepki veren ve kendi yap sal fonksiyonlar n n birlikte çal mas yla adapte olabilen ak ll malzeme ve yap lar n kullan ld ürünlerdir (Tao, 2001).
Ak ll tekstiller, ak ll materyallerin verdikleri reaksiyonlara göre a a daki gibi dört k sma ayr labilir (Gonzalez, 2003; Tao, 2001):
- Pasif ak ll (=smart) materyaller: Sadece çevresel d veya kendi iç uyaranlar n alg lay p hissedebilir ve sensörler gibi davran rlar.
- Aktif ak ll materyaller: Pasif ak ll materyallerin sahip oldu u özellikleri göstermekle birlikte, uyarana kar tepki verir ve devindirici (=actuator)’ye sahiptirler.
- Çok ak ll malzemeler: Uyaranlara kar duyarl , reaksiyon veren ve uygun ekilde kendilerini adapte eden malzemelerdir.
- Zeki (=intelligent) malzemeler: Önceden programlanm bir tarzla reaksiyon verme veya bir fonksiyonu gerçekle tirmek için aktive olma kabiliyeti olan ak ll materyallerdir.
Ak ll materyaller, metalik, cams , polimerik, s v kristal ve kompozit yap lardaki materyal tipleri aras nda yer almaktad r. Polimerik maddeler, esneklik, çok yönlülük ve özellikle tekstil yap lar na uygulanabilirlikleri aç s ndan daha fazla tercih edilmektedir. Ak ll malzemelerin tekstillere ve endüstriye iyi bir ekilde uyum sa lamas ise ancak farkl bilim dallar ndan ara t rmac lar n ortak çal mas ile mümkün olabilmektedir. Bu konudaki baz çal ma alanlar Tao (2001) taraf ndan a a daki ekilde belirtilmi tir:
Sensörler ve devindiriciler (eyleyici) için: • I a duyarl malzemeler,
• Fiberoptikler, • Fletken polimerler, • Is ya duyarl polimerler, • 5ekil haf zal polimerler, • Ak ll kaplama malzemeleri, • Kimyasal duyarl malzemeler, • Mikro kapsüller,
• Mikro ve nano malzemeler. Sinyal iletme, i leme ve kontrolü: • Sinir a lar ve kontrol sistemleri, • Kavrama teorisi ve sistemleri. Entegre edilmi i lemler ve ürünler: • Giyilebilir elektronikler ve fotonikler, • Uyarlamal ve duyarl yap lar,
• Biyo-taklitler , • Doku mühendisli i, • Kimyasal veya ilaç sal m ,
1.2.1 Sentetik Lifi Nitelikli Life Dönü türen Katk Maddeleri
Sentetik liflerin ana maddesi olan polimerlerin tekstil, otomotiv, elektronik, tüketici ihtiyaçlar n n üretilmesi ve paketlenmesi gibi pek çok uygulamada ba ar l bir ekilde kullan labilmesi gerçek anlamda, baz katk lar n var olmas ile aç klanabilmektedir. Polimer katk lar , imalat problemleri, performans s n rlamalar ve çevresel dayan m k s tlanmas n n üstesinden gelinmesi gerekti i durumlarda kullan lmaktad r. Katk , polimer malzemeler için içerik madde anlam na gelmektedir ancak kaplamalar, vernik ve boyalar, bask mürekkepleri, foto rafik filmler, ve ka tlar gibi di er malzemeler içerisinde de çok önemli rol oynamaktad r. Bu aç dan,
polimerler ile tekstil, lastik, yap kan ve yiyecek teknolojisi endüstrileri aras nda önemli örtü me vard r. Örne in, pigmentler, plastik endüstrisi d nda, sentetik liflerde, mürekkeplerde, kaplamalarda ve lastiklerde de kullan lmaktad r (Bart, 2005).
Katk maddesi, bitmi üründe teknik bir etki gerçekle tirmek için polimer içerisine eklenebilmektedir. Katk maddelerine örnek olarak; antioksidanlar, antistatik ajanlar, antisislenme, emülsiyonla t r c , dolgu maddeleri, etki de i tiriciler, ya lay c lar, çözücüler, stabilizatörler, kal nla t r c lar, UV absorblay c lar, serbest ajanlar verilebilir. Polimer katk lar n n ana fonksiyonlar Tablo 1.4’de verilmi tir.
Tablo 1.4 Polimer katk lar n n ana fonksiyonlar (Bart, 2005) Görev Katk%lar Polimerizasyon/kimyasal
modifikasyon yard mc lar
H zland r c lar, zincir büyüme
düzgünle tirileri, çapraz ba lanma ajanlar Üretim ve i lem iyile tiriciler
(dönü üm yard mc lar )
Köpük engelleyici ajanlar,
ak kanla t r c lar, yüzey aktif maddeleri, slatma ve kal nla t rma ajanlar , kayganl k ve ya lama ajanlar , plastikle tiriciler Fmalat ve uygulama süresince
artt r lm dayan m
Asit yiyiciler, biyostabilizatörler, I k/UV stabilizatörleri, metal deaktivatörleri, üretim/ s sal stabilizatörler
Mekanik özelliklerin
geli tirilmesi/modifikasyonu
Çapraz ba lanma ajanlar , lifli takviyeler (cam, karbon), dolgular, parçac k
takviyeleri, plastikle irici ve esneticiler, etki de i tiriciler (elastomerler)
Ürün performans n n geli tirilmesi Antistatik ajanlar, alev geciktiriciler, sürtünme ajanlar , koku de i tiriciler, plastikle tiriciler, duman bast r c lar Yüzey özelliklerinin geli tirilmesi Ba lay c lar, sislenme engelleyiciler,
ajanlar, ya lay c lar, kaymay art r c veya azlat c ajanlar, yüzey aktif maddeler,
slatma ajanlar
Optik özelliklerinin geli tirilmesi Çekirdek olu turan ajanlar, optik
parlat c lar, pigmentler ve renklendiriciler Formulasyon maliyetinin azalt lmas Seyreltici ve miktar art c lar, özellik
dolgular
Fonksiyonel katk lar n kullan lmas ve tekstillere uygulanmas ile elde edilen, faz de i tiren malzemeler (PCM), ekil haf zal polimerler (SMM), kromik malzemeler (çe itli etkilerle renk de i tiren), iletken malzemeler günümüzde ticari olarak mevcut olan ak ll tekstillere örnektir. Ayr ca güç kayna konusu, ak ll tekstiller için üstesinden gelinmesi gereken en önemli konulardan birisidir. Esnek güne pilleri, mikro yak t pilleri ve vücut hareketini elektrik enerjisine dönü türebilme olas l ise çok ilginç konulard r.
Ak ll tekstil ürünleri konusunda yap lan bilimsel çal malarda ve kendini kan tlam denemeler sonucunda yap lan üretimlerde, faz de i tiren malzemeler, termokromik malzemeler, ekil haf zal ala mlar ve polimerler, iletken lifler ve iplikler, metaller, kablolar ve iletken polimerler, i aretleme cihazlar için kuantum tünelli kompozitler, piezoelektrik (uygulanan bas nç kuvvetini elektrik enerjisine çeviren) davran için malzemeler, organik veya plastik elektronikler, biyomateryaller, k yayan polimerler, k yayan diyotlar, fiberoptikler, fotovoltaikler ve güne pilleri, fotolüminesans, fotokatalitik maddeler, fotokromik materyaller, holografi, plazma teknolojileri, lif ve kuma kaplama için nanoteknolojiler, mikro kapsülleme, mikroelektronik mekanik sistemler (MEMS) malzeme ve yöntemleri kullan lmaktad r.
1.2.2 Fotovoltaik Tekstiller
Fotovoltaik tekstil denilice, güne n kullanarak elektrik enerjisi üreten fotovoltaik bir yap n n, dokuma ve örme kuma veya giysi gibi bir tekstil yap s
üzerine yerle tirilerek tekstile entegre edilmesi veya lif eklinde tekstil malzemesi olarak üretilebilmesi sonucunda, fotovoltaik lif, iplik ve kuma lar olu turabilmesi akla gelmektedir. Entegre edilen düz film yap lar n n d nda, tekstil yap lar na daha uygun, esnek, fotovoltaik, ince bir yap üretmek, öncelikle gerekli özellikleri sa layan esnek ve etkin bir lifin üretilmesi ile sa lanabilecektir. Böyle bir lifin üretilmesi ise, kendine özgü üretim i lemleri ve özel materyaller ile sa lanabilecektir (Çelik, Demir ve Bozkurt, 2008).
Fotovoltaik tekstiller sa lad klar e siz özellik ile hem bilimsel hem de ticari ilgiyi üzerlerine çekmeyi ba arm lard r. Son y llarda, tekstillerdeki esnek güne pili uygulamalar için amorf silikonun yan s ra, silikon içermeyen daha az karbondioksit yay lmas nedeniyle daha çevreci oldu u belirtilen bak r, indiyum, galyum ve selenyum (CIGS) bile imi esasl fotovoltaik materyallerin kullan m artmaya ba lam t r (Schubert ve Werner, 2006).
Hynek ve ark. (2005), fotovoltaik enerji üretimi için, pamuk saten kuma tan yap lm bir kravat n ön yüzeyine esnek silikon esasl güne panellerini yerle tirmi lerdir. Kravat n, üzerindeki panel deseni ile uygunluk göstermesi aç s ndan da dijital tekstil bask yöntemini kullanm lard r. Panel yüzeyleri, güne pillerinin korunmas aç s ndan bir laminasyonla kaplanm t r. 5ekil 1.6’deki gibi elde edilen fotovoltaik tekstilin baz dezavantajlar na ra men (parlakl k, kravat n dü ümlenmesi ve geni li i) dijital tekstil bask tekni i ile pek çok sorunun üstesinden gelinebilece i belirtilmi tir (Hynek, Campbell ve Bryden, 2005).
5ekil 1. 6 Fotovoltaik ceket ve kravat (Hynek ve di er., 2005)
Fnorganik yar iletken esasl güne pillerinin tekstillere entegrasyonu çal malar n n yan nda, Shur ve ark. 2001 y l nda yapt klar çal malarda yar iletken iplikler elde etmek için polikristalin yar iletken CdS esasl güne pilleri ve metal filmler (CuS) kullanm lard r. Bu ekilde, CdS/Cu2-xS esasl filmler sentetik iplik üzerine biriktirilmi ve kuma haline getirilerek fotovoltaik etkisi için ölçüm yap lm t r (Shur, Sinius, Gaksa ve Rumyantsev, 2001; Shur ve ark., 2001).
Ara t rmac lar, 2002 y l nda, çe itli uygulamalara do rudan kullan labilecek bir güne enerjisi teknolojisinin esnek ve dü ük çapl materyallere ve life uygulanmas üzerine çal m lard r. Fotokimyasal güne pili çal lan bu konuda, iletken çelik etraf , yar iletken nanoboyutlu TiO2 tozu ile kaplan p iç elektrot olarak kullan lm t r. Farkl boyalar n TiO2 tozunu duyarl la t rmadaki etkisi incelenmi tir. Üretilen pilin tekstil ürünleri için olas kullan m biçimleri önerilmi tir (Baps, Eber-Koyuncu ve Eber-Koyuncu, 2002).
2005 y l nda patentlenmi ba ka bir çal mada (5ekil 1.7a) fotovoltaik lif (0) üretimi yine fotokimyasal pil yap s ile gerçekle tirilmeye çal lm t r. Fotovoltaik etkinin sa land materyal, en içte lif tabakas (1), onu saran a hassasla t r lm nanomatriks materyal (2), bu tabaka ile k geçiren elektriksel iletken aras nda yer
alan yük ta y c materyal bölümü (3), önemli ölçüde ileten elektriksel iletken bölüm (5) ve bunun içine yerle tirilmi bir veya daha fazla tel (4) ve en d ta koruyucu tabakadan (6) olu maktad r (Chittibabu ve ark., 2005).
(a) (b) 5ekil 1.7 Fotovoltaik lif enine kesitleri solda (Chittibabu ve ark., 2005) ve sa da (Nam ve di er.,
2006)
2006 y l nda da ara t rmac lar, esnek, silindirik ve fotokimyasal bir güne pili (5ekil 1.7b) üzerine çal m lard r. Silindir biçiminde olmas , geni yüzeyiyle her aç dan güne n alabilmesini sa lamaktad r. Silindir biçimli güne pili çe itli tabakalardan olu maktad r; en önemlisi ise iletken effaf ta y c tabaka, k emici (metal oksit) tabaka ve hassasla t r c (boyarmadde) maddeleri kapsayan yar iletken elektrottur. Yap , silindirik k lavuz (6), elektrot (5), elektrolit tabaka (4), elektrolit tabakay saran yar iletken elektrot; hassasla t r c boya (3), emen tabaka (2), iletken effaf ta y c tabakadan (1) olu maktad r (Nam, Park, Jung ve Park, 2006)
Toivola ve ark. (2008) boya duyarl güne pili (DSSC) esasl malzemeleri optik lif üzerine biriktirerek lif formunda n elektrik enerjisine dönü türülmesi üzerine çal m lard r. Fotokimyasal pil yap s nda, ZnO:Al effaf ak m toplay c tabaka, TiO2 fotoelektrot (rutenyum boya ile duyarla t r lm ), jelatin iyot elektrolit ve karbon esasl sayaç elektrot, farkl çaplardaki optik lifler üzerine katman katman biriktirilmi tir. Bu ekilde olu turulan bir fotovoltaik yap da, en yüksek ak m yo unlu u 0,26 nA/cm2olarak elde edilmi tir.
Ticari olarak inorganik esasl pek çok fotovoltaik tekstil uygulamas mevcuttur ve aktif olarak kullan lmaktad r. Elektrik ebekesinden uzak ortamlarda gerekli cihazlara enerji sa layabilecek, ta nabilir, kalanabilir fotovoltaik bir panel 5ekil 1.8’de gösterilmektedir. Özellikle, askeri uygulamalar için, fotovoltaik enerji üretimi çok büyük önem ta maktad r. 5ebekeden uzak noktalarda, askerler, fotovoltaik çad r, çanta, ceket ve benzeri ürünleri kullanarak gerekli enerjinin bir k sm n kar layabilmektedirler. Fotovoltaik ürün say s n n artt r lmas yla elde edilebilecek elektrik enerjisi miktar da artmaktad r. Üretilen enerji pillerde depolanabilir ve ayd nlatmadan havaland rmaya, ileti im radyolar , GPS sistemleri, arj edilebilir telefonlar ve dizüsütü bilgisayarlar n enerji ihtiyaçlar na kadar pek çok amaç için kullan labilmektedir (Powerfilm, 2008).
5ekil 1.8 Rulo yap labilir silikon esasl esnek güne panelleri (solda) ve fotovoltaik çad r (sa da) (Powerfilm, 2008)
Ara t rmac lar taraf ndan, kayak ceketi üzerinde amorf silikon kullan larak yap lan yeni güne pilleri 0,5 mm kal nl nda ve optimum gün alt nda %5 verimle çal maktad r. Omuz ve s rt bölgelerine yerle tirilen piller, nispeten ince oldu undan kullan c için rahatl k sa layacak esnekliktedir. Bir dönü türücü ile güne pillerinin üretti i voltaj, sabit ak ma dönü türülür. Çok ince, y kanabilir mikro kablolar materyal içerisine dikilmi tir ve elektrik ak m bunlarla, çe itli cihazlar n ya
da pillerin arj edilebilece i bir yere yönlendirilmi tir (Maiersports, 2008). Ayr ca ticari olarak da mevcut çe itli tekstil ürünleri de bulunmaktad r (5ekil 1.9).
5ekil 1.9 Ticari olarak sat yap lmakta olan ta nabilir küçük cihazlar n çal mas için elektrik üretimini gerçekle tirebilen bir güne ceketi (solda) ve çantas (sa da) (Scottevest, 2008).
24 2.1 Organik Güne Pilleri
Son y llarda, atmosferdeki karbondioksit (CO2) miktar ndaki art ve küresel s nma problemleri ile ili kili ekolojik dü ünceler, ara t rmac lar ve devlet yöneticilerini bilinen enerji üretim teknolojilerine alternatif olarak, yenilebilir bir enerji kayna! olan fotovoltaik enerji teknolojisini kullanmaya yöneltmi tir. Bununla birlikte, günümüzde en yüksek verimli ve en yayg n fotovoltaik enerji üretme sistemi olan silikon esasl fotovoltaiklerden elektrik elde etme maliyeti, hidrolik, nükleer veya fosil yak tlarla üretilen ticari elektrik üretim maliyetlerinden çok daha yüksektir. Bu yüzden yüksek güç dönü üm verimli ()) ve dü ük maliyetli güne pilleri geli tirilmesi zorunludur. Yüksek verim ve dü ük maliyet unsurlar n ba ar l biçimde yerine getirme potansiyeline sahip organik güne pilleri, tüm insanl k için, gelecek vadeden bir enerji kayna! olarak görülmektedir (Imahori, 2007; Tang, 1986).
4norganik güne pillerine k yasla organik güne pilleri çe itli avantajlara sahiptir. Bunlar; effafl k, esneklik, ucuzluk, hafiflik ve renk çe itlili!i ile ortam artlar nda üretim ve i lem kolayl klar d r. 4nce esnek filmler üzerinde üretilebilme, rulolardan kesilebilme ve kal c yap lar ve yüzeyler üzerine eklenebilme gibi pratik uygulamalar nedeniyle, organik güne pilleri, büyük ölçekli üretimlerde çe itli biçimlerde kullan labileceklerinden çok ilgi çekici görünmektedirler.
2.2 Organik Yar iletkenler ve Yap sal Özellikleri
Organik bir yar iletken, yar iletken özelliklere sahip organik materyaldir. Yar iletken element, atom yap s olarak son yörüngesinde dört elektron bulunduran bir maddedir. Yar iletken normal artlar alt nda yal tkan (elektri!i iletmeyen) özellik gösterip d ar dan bir etki uygulanmas yla iletken hale gelen maddelerdir. Uygulanan etki sona erdi!inde, tekrar yal tkan duruma dönerler.
4norganik yar iletkenlerde, s , k, elektrik gibi bir enerji sisteme verildi!inde, maddenin de!erlik (valans) band ndan elektronlar iletkenlik band na geçebiliyorsa, yani maddenin atomlar ndan elektronlar küçük bir enerji ile kopar labiliyorsa, bunlara yar iletken denir. Bir maddenin de!erlik ve iletkenlik band aras ndaki mesafe büyük ise ve elektronlar, s veya k etkisiyle kolayca de!erlik band ndan iletkenlik band na geçi yapam yorsa, o madde yal tkand r. 4letken maddelerde ise, de!erlik band ve iletkenlik band aras ndaki mesafe yok say l r ve serbest elektron do!al olarak bulunur. Yar iletkenler gerekli yerlerde, saf olarak kullan lmad klar için P ve N tipi malzemeler haline getirilirler. P ve N tipi malzemelerin temelinde, monokristal yap daki yar iletkenler vard r. Bu yar iletkenlere belirli tekniklerle ba ka maddeler kat l r ve kat lan maddeye göre P ve N tipi madde elde edilir. N tipi malzeme için monokristal yap daki malzemeye 5A grubu elementler kat l r. 5A grubu elementlerin 5 tane de!erlik elektronu vard r. Fakat 5 elektron sanki bo taym gibi 5A grubu elementinin yörüngesinde kal r. Bu sayede N tipi malzemenin içinde çok kolay ekilde serbest hale geçebilecek elektronlar bulunur. Elektron fazlal ! ndan dolay negatif yüke sahip oldu!undan N tipi ad verilmi tir. P tipi malzemede ise kat lan elementler 3A grubu elementleridir. Bu elementler de 4A grubu elementleriyle ba! yapt klar nda 7 elektrona sahip olurlar. Yani sanki bir elektron bo luklar varm gibi davran rlar. P tipi malzemelerde elektrik ak m yani elektronlar bu bo luklardan geçerler. Bir atomun bo lu!una elektron ba!lan r sonra kom u atoma geçer ve böylece elektron ak sa!lanm olur. Ak m sanki bo luklardan geçiyormu gibi görülür. Bu yüzden P tipi malzemelerde ak m bo luklar ta r denir. Bu tür malzemelerin elektronu eksik oldu!undan pozitif özellik gösterilir. P ad buradan gelmektedir (Messenger and Ventre, 2005) (?ekil 2.1).
?ekil 2.1 Yal tkan, yar iletken ve iletken maddelerde de!erlik ve iletkenlik bantlar
Konjüge polimerlere (birbirlerine ard k tek ve çift karbon ba!lar ile ba!lanan ve tekrarlanan gruplardan olu an uzun zincirli yap lar konjüge polimer olarak adland r lmaktad r) olan ilginin en önemli nedeni, yüksek elektriksel iletkenlik sa!layabilme özelli!idir. Bu malzemelere, elektron eklenmesi veya çekilmesi, P ve N-tipi katk lanmaya neden olur. Katk mekanizmas , inorganik kristallerden farkl olarak gerçekle mektedir. Konjüge polimerlerde, katk lama yük transfer reaksiyonu yard m yla meydana gelir. Net bir elektrik yükü, polimer zinciri üzerinde yer al r (Brabec ve ark., 2003).
Organik yar iletken bir malzeme, tek moleküller (monomer), k sa zincir (oligomer: birkaç tane tekrarlanan birim) ve organik polimerlerden (tekrarlanan birim say s 10’dan fazla) olu abilir. Yar iletken küçük moleküller (aromatik hidrokarbonlar), polisilik aromatik bile ikleri pentasen, antrasen ve rubreni kapsar. Polimerik yar iletkenlere örnek olarak poli(3-heksiltiofen), poli(fenilen vinilen), poliasetilen ve türevleri verilebilir (Petritsch, 2000).
Ayr ca organik yar iletkenler, i lenebilme ve mekanik özelliklerine göre; çözünmeyen, çözünen ve s v kristal olarak üçe ayr l r. Çözünmeyenler kendi içlerinde; pigment ve polimer, çözünenler; boya ve polimer, s v kristaller; boya ve polimer tipi olarak ayr l r. Boya, çözünen, pigment ise çözünmeyen oligomer veya
E n er ji ar t De'erlik band (VB) letkenlik band (CB) Bant aral ' De'erlik band (VB) letkenlik band (CB) Bant aral ' De'erlik band (VB) letkenlik band (CB)
monomerlerdir (Petritsch, 2000). Bunlar içerisinde en çok ilgi çekenler iletken polimerler ve s v kristallerdir (Wallace, Spinks, Kane-Maguire ve Teasdale, 2003).
2.2.1 S v Kristaller
S v kristal (Liquid crystals: LC), maddenin s v ile kat kristal hali aras nda özelliklere sahip olan bir fazda bulunan maddedir. Buna göre s v kristal, bir s v gibi akabilir ancak s v içerisinde, kristal benzeri bir yap ile oryante edilmi veya ayarlanm moleküllere sahiptir. Optik özellikleri aç s ndan da de!i iklik gösteren pek çok s v kristal tipi vard r. Ba l ca termotropik ve liyotropik olarak ikiye ayr labilir. Termotropik s v kristalde faz geçi i s cakl k de!i imi ile gerçekle irken, liyotropik s v kristalde, faz geçi i çözücü içerisindeki mezojen (mezofaz (=s v kristal) yap c ) konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak ve s cakl kla de!i mektedir (de Gennes ve Prost, 1993; Chandrasekhar, 1992; Sluckin, Dunmur ve Stegemeyer, 2004; Collings ve Hird, 1997; Movahed, Hidalgo ve Sullivan, 2006). S v kristaller genel olarak, s v kristal ekranlarda (LC displays) yal t c , saç lmay sa!layan ortam olarak kullan lmaktad r (Carrasco-Orozco ve ark., 2006). S v kristallerle fotovoltaik etki gözlenmesi ile ilgili çal malar 1970’li y llarda ba lam t r (Kamei, Ozawa ve Katawama, 1972; Sato, 1981) ve iyi bir elektronik fotoiletkenlik elde edilmi tir. Son y llarda, organik güne pillerinin verimini artt rmak, daha dü ük maliyetli ve daha geni ölçekte uygulamalar yapabilmek için uygun s v kristaller kullan lmaya ba lanm t r (Nelson, 2002; Schmidt-Mende ve ark., 2001).
2.2.2 Karbon Nanotüpler
Karbon nanotüp (CNT), grafitin bal pete!ini and ran atom düzleminin bir silindir üzerine hiçbir kusur olu turmadan kesiksiz olarak sar lm bir ekli olarak dü ünülebilir. CNT’ler bilinen en güçlü liflerdir. Bir nano tüpün çap birkaç nm’dir. Yap lar na göre iletken ve yar iletken olarak görev yapabilir. Is iletkenlikleri çok yüksektir. Uygulama alanlar ; nanoayg t ve transistörlerden bütünle ik devre, kal c bilgisayar belle!i, karbon nanotüp düz ekran televizyonlar, kur un geçirmeyen kuma lar, leke ve bakteri tutmayan kuma lar, ortamda bulunan zehirli gazlar
alg layabilen gaz detektörü, hidrojen depolama ve yak t hücresi, nanom knat s, yüksek yo!unluklu bilgi depolayan küçük ölçekli sabit disk ve deformasyon ölçmeye yönelik ölçü aletleri ve güne pilleri olarak say labilir. Tek duvarl karbon nanotüp (SWNT) ve çok duvarl karbon nanotüp (MWNT) olmak üzere ana olarak ikiye ayr labilir. Karbon nanotüpler, effaf anot olarak ITO elektrodun yerini almak amac yla güne pilleri ile ilgili çe itli çal malarda, ara t rmac lar taraf ndan ba ar l biçimde kullan lmaktad r (Ouyang, Chu, Chen, Xu, ve Yang, 2005; Kushto, Kim ve Kafafi, 2005; Huang ve ark., 2006; Ahlswede, Mühleisen, bin Moh Wahi, Hanisch ve Powalla, 2008; Zhou ve ark., 2008).
2.2.3 letken Polimerler
4letken polimerlerin 1970’lerin ortalar nda ke fedilmesinden bu yana, pek çok çal ma yap lm t r. Bu çal malar, kimya, fizik ve malzeme bilimlerinin yard m yla, iletken polimer ürünlerinin endüstriyel olarak geli tirilmesini desteklemi tir. Bu alandaki en büyük etki, ise 2000 y l nda, kimya bilim dal için Nobel ödülünün iletken polimerlerin üç ka ifine (Alan MacDiarmid, Alan Heeger ve Hideki Shirakawa) verilmesi ile görülmü tür. 4letken polimerler, fotovoltaiklerde, k yayan diyotlarda, korozyona kar koruyucu malzemelerde, pillerde, membranlarda, sensörlerde ve eyleyicilerde (aktuator) kullan m alan bulmaktad r (Wallace ve ark., 2003).
2.2.3.1 Konjüge Polimerler
Konjüge polimerler, uygun katk lar n eklenmesi ile iletken özellik göstermektedir. Konjüge polimerler yükseltgenerek P-tipi ve indirgenerek N-tipi polimer elde edilmektedir. Konjüge polimerlerde, tekli ba! sigma (O) ba! d r, çift ba! n ise bir tanesi sigma di!eri pi (P) ba! d r (Güne ve ark., 2007).
Konjüge polimerler, k yayan diyotlarda (LED) ba ar l teknolojik uygulamalar bulmu iken, güne pillerini sadece bu materyallerle haz rlamak için ilk deneme oldukça cesaret k r c olmu tur. Fotovoltaik etki, ayd nlatma alt nda yar iletken
içerisinde, elektronlar n ve bo luklar n üretilmesini ve bunu takiben yüklerin z t elektrotlarda toplanmas ile elde edilir. Fakat organik yar iletkenlerde, hem yük ayr lmas hem de yük hareketlili!i belirli bir mesafeye k s tlanm t r (Brabec, Dyakonov, Parisi, ve Sariciftci, 2003). Al c ve verici malzemelerin birbiri ile kar t r lmas yla (artt r lm bir arayüzey alanl kar m heteroeklem yap elde edilerek), yar kararl , tersinir ve verici tipi konjüge polimerlerden, al c tipi fulleren moleküllerine, do!al fotosentezin ilk ad mlar na benzer bir yolla, ultra-h zl k etkisiyle elektron transferi gerçekle tirilmi ve bu cesaret verici büyük olay güç dönü üm verimlerinin günümüzde %5’in üzerine (Green, Emery, Hishikawa ve Warta, 2008) yükselmesini sa!lam t r.
Verim dü üklü!ünün yan s ra, yar iletken polimerlerin genel olarak, tüm mevcut uygulamalar için uzun dönemli kararl l klar da di!er bir ciddi sorundur. Bugüne kadar, konjüge polimer malzeme esasl k yayan diyotlar, genel olarak, birkaç 10.000 saatlik i letimsel ömrünün yan nda birkaç y l raf ömrüne izin veren endüstriyel kapsülleme teknikleri ile haz rlanmaktad r. Fotovoltaik cihaz veya tek bir cihaz bile imi bile söz konusu oldu!unda, i letimsel ömür ve verim aras ndaki maliyete kar ödünle im, bu tip güne pillerinin gelecekte de markete girme yetene!ini belirleyecektir (Brabec ve di!er., 2003).
Organik güne pillerinin tasar m nda göz önünde tutulan kriterler; görünür bölgede geni aral ktan k toplayabilme, heteroeklem arayüzeyine verimli enerji transferi (gerekliyse) ve sonraki yük da! l m ile istenmeyen yük rekombinasyonunu minimuma dü ürerek ayr lm elektronlar n ve bo luklar n ilgili elektrotlar na verimli enjeksiyonudur (Imahori, 2007).
2.3 norganik ve Organik Güne Pillerinin Kar la t r lmas
Üç boyutlu kristal kafesli inorganik bir yar iletkenin içinde tek LUMO (=Low U M O) ve HUMOlar (=high U M O) malzeme boyunca bir iletkenlik band (CB=Conducting Band) ve bir de!erlik band (VB=Valance Band) olu turur. Bu, esas olarak, üç boyutlu kristal kafesler olu turmak için moleküller aras kuvvetlerin
çok zay f oldu!u pek çok organik boya yar iletkenlerden farkl d r. Sonuçta, moleküler LUMOlar ve HUMOlar, bir CB veya VB olu turmak için birbirlerini yeterince kuvvetli etkilemezler. Böylece, bir bant içinde ta nmaktansa yerelle mi bölgeler aras nda atlayarak yük ta n m devam eder. Bu demektir ki, inorganik yar iletkenlerle kar la t r ld ! nda, organik ve polimerik yar iletkenlerde yük ta yan hareketlilik genellikle dü üktür. Ayr ca dü ük dielektrik sabiti nedeniyle organik yar iletkenlerde, yük da! l m daha zordur. Pek çok inorganik yar iletkende foton emilimi serbest bir elektron ve bir bo luk (yük ta yanlar ) üretir, oysa organik yar iletkenlerde uyar lm elektron, oda s cakl ! nda bo lu!a ba!lan r. Konjüge polimerler, inorganik yar iletkenlerle organik boyalar aras nda bir yerde yer al r. Genelde, uyar mlar belirli zincir kesimleri üzerinde yerle ti!i varsay l r. Bununla birlikte, uyar mlar n (eksiton: elektron-bo luk çifti) yerle memi göründükleri durumlar vard r (Spangaard ve di!er., 2004).
Organik yar iletken esasl basit fotovoltaik cihazlarda ve diyotlarda, birinci uyar m ay rma yeri, elektrot arayüzündedir (di!er yerler kristal kafeste hatalar emilmi oksijen ve kirlilikler içerir). Organik tabakan n ortas nda olu an uyar mlar, tabaka çok kal nsa, asla, elektrot arayüzüne ula mad ! için, bu, cihaz n etkin k emen kal nl ! n s n rlar. Tabi, yukar da aç kland ! biçimde tekrar birle irler. Tipik elektron-bo luk difüzyon mesafesi yakla k olarak 10 nm’dir ancak malzemenin yap s na göre de de!i mektedir (Spangaard ve di!er., 2004).
2.4 Fotovoltaik Etki Olu umu
I ! n, organik bir güne pili ile elektri!e dönü ümünün ad mlar ?ekil 2.2’de aç klanm t r (Nunzi, 2002). Uyar lm bölge olu umu sa!layan bir fotonun emilmesi, yani, ba!l elektron-bo luk çifti (exsiton) olu umu, eksitonun ayr lmas yani yük ayr lmas n n meydana geldi!i bir bölgeye elektron-bo luk çifti difüzyonu ve organik yar iletken içerisinde kendi elektrotlar na yük ta n m (?ekil 2.2).
?ekil 2.2 Verici-al c arayüzeyinde elektron-bo luk ayr lmas (e: elektron, h: bo luk)
2.4.1 I n Emilmesi ve Elektron-Bo luk Çiftinin Olu mas
4letkenlik band ndaki elektronlar ve de!erlik band ndaki elektron bo luklar n n serbest oldu!u inorganik yar iletkenlerdekinin tersine, organik yar iletken malzemelerde uyar lm haldeki elektronlar ile temel haldeki elektron bo luklar aras nda zay f bir Coulombik ba! mevcuttur. Elektron-bo luk çiftleri (eksiton), organik yar iletken malzeme içerisinde tek bir tür gibi hareket etmektedir (Wallace ve ark., 2000).
Organik malzemelerdeki geni bant aral ! (=large band gap) nedeniyle, gelen ! n sadece çok küçük bir miktar emilmektedir. Aktif tabakan n kal nl ! ise yük ta y c hareketlili!i ile (mobilite) ters orant l d r. ?ekil 2.3’de farkl absorbsiyon aral klar na sahip malzemelere ait grafik verilmektedir.
ekil 2.3 Organik güne pillerinde yayg n olarak kullan n fotoaktif malzemelerin film halindeki emilim katsay lar n n AM1.5 güne spektrumuyla kar la t r lmas (Brabec ve ark., 2003]
Konjuge polimerlerde, moleküldeki biti ik karbonlardan artan Pz orbitali elektronlar , P sistemi olu turmak için üst üste gelir. Bu yerle memi bir elektron bulutu olu turur. Elektron-elektron etkisi yok say larak, elektron-titercik çifti göz önüne al n r. 4ki ayr moleküler band olu ur: Bunlar; P band , en yüksek enerjili dolu moleküler orbitali (HOMO) (bo luklar n quasi fermi seviyesi) ve P* band , en dü ük enerjili bo moleküler orbitali (LUMO) (elektronlar n quasi fermi seviyesi). Bu iki orbital aras ndaki enerji fark , organik yar iletken malzemenin enerji bant aral ! n (Eg) verir. Enerji bant aral ! na e it veya daha büyük enerjide ! n so!urulmas ile P*-orbitallerinde ve P-orbitallerinde elektron bo lu!u meydana getirilmektedir.
Organik malzemelerdeki birincil fotouyar mlar do!rudan ve miktar olarak serbest yük ta yanlara yol açmaz, fakat elektron-bo luk çiftlerinin ba!lanmas n sa!lar. Konjüge polimerlerde, fotouyar mlar n sadece %10’unun serbest yük ta yanlar n olu mas na yol açt ! tahmin edilmektedir (Miranda ve Moses, 2001). Verimli bir elektron ve bo luk ayr lmas için, güçlü elektrik alanlar gereklidir. Bu yerel alanlar, hem d ar dan elektrik alan uygulanmas yla hem de arayüzeylerle sa!lanabilir.
Meydana gelen potansiyel enerjide, ani de!i ikliklerin oldu!u arayüzeyde, güçlü yerel elektriksel alanlar mümkündür. Elektron-bo luk çifti ömür süresi içinde bir arayüzeye ula t ! nda, ! n neden oldu!u (=photoinduced) yük transferi meydana gelebilir. Bu yüzden, elektron-bo luk çifti difüzyonu uzunlu!u çift tabakal yap lar n kal nl ! n s n rlamaktad r (Mozer ve Sariciftci, 2006). Elektron-bo luk çifti difüzyon uzunlu!u, verici-al c faz ayr lma uzunlu!u gibi ayn büyüklükte olmal d r. Yoksa, elektron-bo luk çiftleri, n msal veya n msal olmayan yollarla, arayüzeye ula madan bozunurlar ve enerji dönü ümü için enerjileri kaybolur. Polimerlerde ve organik yar iletkenlerde elektron-bo luk çifti ayr lma uzunluklar genelde 10-20 nm’dir (Nunzi, 2002).
1.1 eV’lik (1100 nm) bir bant geni li!i, dünya üzerine dü en nlar n %77’sini emme yetene!ine sahiptir (Nunzi, 2002; Güne ve ark., 2007). Bununla birlikte, yar iletken polimerlerin ço!unlu!unun bant geni li!i 2 eV’nin (620 nm) üzerindedir ve bu durum emilebilecek nlar n miktar n %30’a s n rlamaktad r. Bunlar görünür bölgedeki ye il ! emerler. Organik yar iletkenler, Eg>1,4 eV olan geni bant aral kl yar iletkenlerden Eg>3 olan yal tkanlara kadar olan aral ! kapsamaktad r. Konjüge olmayan polimerlerin optik bant aral klar (polietilen için yakla k 7-8 eV) konjüge polimerlere (1,5-3 eV) göre çok daha dü üktür. Öte yandan, organik malzemelerin emme katsay lar 105/cm kadard r, yans t c bir arka elektrot kullan ld ! nda, 100 nm’lik bir kal nl k, nlar n büyük bölümünü emmek için yeterlidir (Nunzi, 2002). Güne nlar n n spektral ( n da! l m , tayf) olarak daha iyi al nmas na ihtiyaç vard r. Bu da daha dü ük bant aral kl polimerler (Eg<1,8 eV) veya enerji transfer basamaklar kullan lmas yla mümkün olabilir.
620’nm den daha uzun dalga boylar n absorbe edebilen yani bant aral ! 2 eV’den daha dü ük olan polimerler, dü ük bant aral ! na sahiptir ve ayr ca daha verimli güne pilleri üretilmesi için verici ve al c birimlerin bant aral ! , katk maddeleri eklenerek de!i tirilebilmektedir. Örne!in verici birime tiyofen vb. bir madde eklenerek HOMO seviyesi yükseltilir, elektron al c gruba ise tiyadiazol vb. bir madde eklenerek LUMO seviyesi dü ürülerek daha verimli fotovoltaik etki gerçekle tirilebilmektedir.
2.4.2 Elektron-Bo luk Çiftinin Ayr lmas ve Difüzyonu
Organik güne pillerinin çal ma prensibine göre elektron-bo luk çiftinin ayr lmas gerekmektedir. Bu ayr lma ! n so!uruldu!u noktadan 10-20 nm’lik bir mesafe içerisinde gerçekle melidir. Elektron-bo luk çiftinin ayr lmas elektron transferi ile gerçekle mektedir. Bu elektron transferi metal kontak ile organik yar iletken ara yüzeyinde veya farkl elektron al c veya verici özellikteki molekül arayüzeyinde gerçekle ir. Elektron, yüksek elektron ilgisi olan malzeme (al c ) taraf ndan, elektron bo lu!u ise dü ük iyonla ma potansiyeline sahip malzeme (verici) taraf ndan kabul edilmektedir. Ayr ca elektron-bo luk çifti, elektron ve elektron bo lu!u aras ndaki Coulomb çekim kuvvetinden daha güçlü elektrik alan taraf ndan da ayr t r labilir (Yoshino ve ark., 1997).
Fulleren gibi elektron al c larla, konjüge polimerleri kar t rmak, kla uyar lm elektron-bo luk çiftinin ba!lant lar n kopararak serbest yük ta y c lar na dönü türmede etkili bir yoldur. Bu tür kar mlar n, kla uyar lm yük transferi 45 fs (femtosaniye)’lik çok k sa bir sürede meydana gelir. Fotolüminesans n yakla k 1ns (nanosaniye)’de meydana geldi!i göz önüne al n rsa, kla uyar lm yük transferinin çok daha h zl oldu!u anla lacakt r (Brabec ve ark., 2001). Öte yandan, bu kar mlardaki ayr lm yükler, dü ük s cakl klarda yar kararl d r.
2.4.3 Yüklerin lgili Elektrotlara Toplanmas
Organik güne pillerinin büyük ço!unlu!unda olu an elektron ve elektron bo luklar z t kutuplara ta nmaktad r. Bu ta nma i lemi, elektrotlar n asimetrisi (farkl i fonksiyonlar ) veya uygulanan potansiyel sebebi ile olu an içsel elektrik alanda gerçekle mektedir (Yoshino et al. 1997). Geri yük transferlerini önlemek amac ile elektron ve elektron bo luklar tercihen farkl malzemelerde veya fazlarda ta nmaktad r. Örne!in verici-al c pillerde elektron iletkenli!i iyi olan al c ve bo luk iletkenli!i iyi olan verici malzeme kullan m idealdir. Yüksek yük toplama verimlili!i için organik yar iletken malzeme ile metal elektrot aras nda enerji bariyeri olmamas gerekmektedir. Baz durumlarda iki malzeme aras ndaki enerji
