Geri Dön

Development of polymer based fibers with photovoltaic effect

Fotovoltaik etki oluşturan polimerik liflerin geliştirilmesi

  1. Tez No: 472827
  2. Yazar: KÜBRA İLGEN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALİ DEMİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2011
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 84

Özet

Günümüzde enerji, ülkeler arasındaki siyasi, ekonomik ve askeri konuların yanında hem sanayi hem de günlük hayat için önemli bir gerekliliktir. Enerji talebi her geçen gün artarken, mevcut enerji kaynakları sınırlı bir özellik göstermekte ve yavaş yavaş sona doğru yaklaşmaktadır. Fosil yakıt kaynaklarının sürekli azaltılması ve sera gazı emisyonları için getirilen gittikçe daha da sıkılaşan kısıtlamalar ile insanoğlunun ihtiyaç duyduğu enerji için artan talep, insanları yüksek derece etkili yenilenebilir enerji kaynakları aramaya itmektedir. Bugün elektrik enerjisi; kömür, petrol, doğal gaz, nükleer enerji gibi yenilenemeyen ve rüzgâr, biyokütle, hidro, fotovoltaik teknoloji (PV) gibi yenilenebilir birçok kaynaktan temin edilmektedir. Dolayısıyla, PV sistemleri kelimenin en geniş anlamıyla diğer kaynaklara karşı rekabet içerisinde bulunmaktadır ve bu rekabet finansal konular, güvenilirlik, çevre ve performans hususlarını kapsamaktadır. Fotovoltaik sistemlerin modüler yapısının fotovoltaik modülleri kapsaması enerji tedarik sistemlerinin son derece geniş bir enerji aralığı için kurulabilir olduğu anlamına gelmektedir. Güç spektrumu, kol saatleri veya bilimsel hesap makineleri için birkaç miliwattan, uzak bölgelerde yer alan güç kaynaklarındaki kilowat sistemlerine (örneğin dağcılık veya su pompaları) veya büyük merkezi fotovoltaik enerji santrallerine kadar değişir. Fotovoltaikler, genellikle elektrik üretme söz konusu olduğunda pahalı bir yöntem olarak algılanmaktadır. Ancak fotovoltaikler, şebekeden bağımsız durumlarda, sıklıkla gereken elektrik hizmetini sağlamak için kullanılabilecek en ekonomik çözümdür. Bugün, dünyanın her yerinde büyüyen pazar, güneş enerjisinden faydalanmanın ekonomik açıdan uygulanabilir olduğu birçok alana bu enerjinin girdiğini göstermektedir. Buna ek olarak, şebekeye bağlı durumlarda fotovoltaiklerin hızla büyüyen uygulaması; fotovoltaiklerin, yeni ve daha çevreci bir elektrik tedarik sisteminin kurulmasına katkıda bulunmak isteyen çok sayıda özel kişi, şirket ve hükümet için cazip olduğunu göstermektedir. Bir fotovoltaik hücrenin dönüşüm verimi, hücrenin elektrik enerjisine dönüştürdüğü güneş ışığı enerjisinin oranı ile belirlenmektedir. Dolayısıyla, fotovoltaik cihazları tartışırken bu çok önemlidir. Çünkü fotovoltaik enerjinin daha geleneksel enerji kaynakları (örneğin fosil yakıtlar) ile rekabet edebilmesi için bu verimliliği arttırmak hayati önem taşımaktadır. Doğal olarak, etkin bir güneş paneli, mümkün olduğunca daha az verimli iki panel kadar enerji sağlayabilirse, üretilen enerjinin maliyeti (gerekli alan dikkate alınmazsa) azaltılabilmektedir. Fotovoltaik (PV) hücrelerin, gelişmiş ülkeleri fosil yakıtlara olan bağımlılıktan kaynaklanan pekçok problemin çözümünde büyük bir pay sahibi olacağı beklenmektedir. Bugüne kadar temel olarak uzayda ve uzak yerlerdeki enerji üretimi için kullanılmalarının yanında fotovoltaik (PV) hücreler bugün ticari, endüstriyel ve ev enerji ihtiyaçlarını karşılamak için giderek daha fazla kullanılmaya başlanmıştır. Güneş enerjisi teknolojisi günümüzde toplam enerji üretiminin nispeten küçük bir bölümünü sağlamasına rağmen hızla büyüyen yenilenebilir ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olma özelliği göstermektedir. Ancak, fotovoltaik cihazlar için geliştirilmiş performansın ötesinde, etkinlik ve güvenilirlik bakımından asıl sorun, üretilen kilovat saat başına önemli maliyet düşüşleri sağlamaktır. Dolayısıyla, halen üstesinden gelinmesi gereken pek çok tekonolojik engel bulunmasına rağmen, güneş pillerinin üretimi için silikonun yanında plastik veya polimer organik materyaller kullanımı büyük kolaylıklar sağlamaktadır. Fiber şekilli cihazlar büyük ölçekli elektronikler, algılama, termoelektrik üretim ve aydınlatmada kullanım için caziptir. Fiber tabanlı fotovoltaik cihazlar, fiber ve tekstil teknolojisinin emtia ölçeği ile birlikte etkin maliyetli ve ölçeklenebilir güneş enerjisi kullanımı gerçekleştirmeye yardımcı olabilmektedir. Son zamanlarda, fiber tabanlı fotovoltaik hücrelere organik emici performansı arttırmak için büyük ilgi duyulmaktadır. Fiber tabanlı güneş pilleri, düşük optik yoğunluklu emicilerle kullanıldığında gelişmiş optik performansa sahip olacak şekilde imal edilmiş daha büyük bir fotovoltaik sınıfının bir alt kümesidir. Günümüzde fosil yakıtlara bağımlılık derecesi, enerji kullanımı ile ilişkili karbon emisyonlarının azaltılması ihtiyacı ve yeni ve son derece yenilikçi bir teknoloji sektörü geliştirme ihtimali, fotovoltaiklerin gittikçe cazip hale gelmesini sağlamaktadır. Son yıllarda fotovoltaik pazar özellikle Almanya'da genişlemiş ve Almanya'yı İspanya ve İtalya izlemiştir. Ayrıca, uygulanan çeşitli teşvikler fotovoltaik endüstrisini daha da gelişmeye hazır hale getirmiştir. Bununla birlikte, önemli sermaye yatırım maliyetlerinden dolayı elektriğin yüksek üretim maliyeti, fotovoltaik sistemlerin büyük ölçekli olarak kurulumuna yönelik ana engel teşkil etmektedir. Hem konvansiyonel hem de teknik tekstil, çok çeşitli fonksiyonlara sahip olmasından dolayı insanoğlunun günlük yaşamı için vazgeçilmezdir. Teknik tekstiller otomotiv, havacılık ve tıp gibi farklı endüstrilerde artan bir uygulama bulmakta ve ayrıca endüstriyel tesisler ve makinelerde bileşen olarak kullanılmaktadır. Ayrıca tekstil ürünlerinin; bina inşasının yanında modern mimaride tasarım öğeleri ve/veya geniş alan kaplaması olarak kullanımı yenilikçi bir uygulama alanı oluşturmaktadır. Günümüzde kaplamalı kumaşlardan yapılmış tekstil kaplamalara, örneğin futbol veya tenis alanları, havaalanı merkezleri ve hangarlar, dünyanın farklı yerlerinde rastlanmaktadır. Bu, fotovoltaik liflerin güneş kolektörleri olarak kullanımı için yeni bir uygulama alanı oluşturmaktadır. Bir teknoloji polimeri olarak güneş pilleri; işleme maliyeti, işlem hızı, işlem basitliği ve termal bütçe bakımından rakipsizdir. Bu, fotovoltaik teknolojiler için yaygın olarak karşılaşılan yüksek maliyetli bir probleme potansiyel olarak inandırıcı bir çözüm sunan tek fotovoltaik teknolojidir. Bununla birlikte, düşük güç dönüştürme verimliliği, kötü operasyonel kararlılık, malzeme maliyeti ve çevresel etkiler gibi çözülmemiş sorunlar bulunmaktadır. Dolayısıyla, polimer ve organik güneş pilleri alanı son 10 yılda birçok araştırmanın konusu olmuştur. Bu çalışmada, farklı türlerde polimer esaslı fotoaktif malzemeler kullanılarak fotovoltaik PET liflerinin gelişimi incelenmiştir. Bu yaklaşım özellikle fotovoltaik tekstil yapıları için uygundur. Çalışmada, tekstil uygulamaları için farklı hacimli heterojinüsyon harmanlarının esnek PET liflerine uygulanmasından elde edilen fotovoltaik performansın sonuçları sunulmuştur. Fotovoltaik etki ile PET lifleri geliştirmek için farklı bir yöntem denenmiştir. İndiyum kalay oksit pahalı ve esnek tekstil yapıları için katı olduğu için, alt elektrotta, PET lifi ve PET bantlarda Ag kullanılmıştır. MDMO - PPV:PCBM ve P3HT : PCBM güneş pillerinde Ag kaplı PET bant kullanıldığında, bu cihazların akım yoğunluğu, dolum faktörü ve verim değerleri Ag kaplı PET liflerinin değerlerine kıyasla artmış ve performansları referans hücrelere yaklaşmıştır. Bu görevi, fotonun cihaza aktarılmasına ve üretilen elektronun toplanmasına izin veren ince ve şeffaf dış elektrot (3nmAl + 7nmAg) yerine getirmiştir. Literatürdeki sonuçlarla karşılaştırıldığında ortaya çıkan düşük verimlilik için olası bazı nedenler tekstil yüzeylerinin kaba alt tabakası olabilir. Kaba alt tabaka PEDOT : PSS'yi ve aktif katman kaplamalarını etkileyebilmekte ve cihazda kısa devre problemlerine neden olabilmektedir. Bu çalışma, oldukça iletken PEDOT:PSS çözeltisinin ve yarı şeffaf metalik katmanın, esnek aygıtlar durumunda sırasıyla organik güneş pillerinin anot ve katotu olarak başarıyla kullanılabileceğini göstermiştir. Ayrıca, çalışmada indiyum kalay oksit anodunun yerini alması için farklı iletken katmanlar kullanma olasılığı da araştırılmıştır. Elde edilen azami kısa devre akım yoğunluğu, P3HT:PCBM ışık absorbe edici tabaka kullanılarak Ag kaplı PET bantlarda 0,375 mA/cm2 olmuştur. PET fiberlerin güç dönüştürme verimliliği çok yüksek değildi, ancak gelecekteki uygulamaların cihaz özelliklerini ve üretim tekniklerini geliştirmek için açık bir kapı oluşturmuştur. Ayrıca, Ag katmanından oluşan fotovoltaik PET bantların güç dönüştürme verimliliği (0,26), indiyum kalay oksit kaplı cam esaslı güneş pilleriyle elde edilen değere yaklaşıktı. Tekrarlanabilir sonuçlar, tekstil yapıya dayalı güneş pillerinde bu malzemelerin indiyum kalay oksit yerine kullanılabileceğini göstermektedir. Optimizasyon sonrasında, bu fotovoltaik fiber tasarımı, akıllı tekstil üretim proseslerine benzer tekniklerle endüstride üretilebilir.

Özet (Çeviri)

Today energy is an important requirement for both industrial and daily life, as well as political, economical and military issues between countries. While the energy demand is constantly increasing every day, existing energy sources are limited and slowly coming to an end. With continuous reduction of fossil fuel resources and more and more stringent restrictions for greenhouse gas emissions, human eve-increasing demand for energy forces people to seek highly effective inexhaustible energy sources. Electric energy today can be provided from many sources that are both nonrenewable including coal, oil, natural gas, nuclear and renewable such as wind, biomass, hydro, photovoltaic technology (PV). PV systems compete, in the broadest sense of the word, against the other sources. The competition encompasses financial, reliability, environmental and performance considerations. The modular nature of photovoltaic systems-consisting of photovoltaic modules means that energy supply systems can be constructed for an extremely wide power range. The power spectrum ranges from a few miliwatts for wristwatches or scientific calculators, to kilowatts systems in remote area power supplies, for example, for mountaineering lodges or water pumps, to large central photovoltaic power stations in the megawatt range. Photovoltaics are generally considered to be an expensive method producing electricity. However, in off-grid situations photovoltaics are very often the most economic solution to provide the required electricity service. The growing market all over the world indicates that solar electricity has entered many areas in which its application is economically viable. Additionally, rapidly growing application of photovoltaics in grid connected situations shows that photovoltaics are very attractive for a large number of private people, companies and governments who want to contribute to the establishment of a new and more environmentally benign electricity supply system. The conversion efficiency of a photovoltaic cell is the proportion of sunlight energy that the cell converts to electrical energy. This is very important when discussing photovoltaic devices, because improving this efficiency is vital to making photovoltaic energy competitive with more traditional sources of energy (e.g., fossil fuels). Naturally, if one efficient solar panel can provide as much energy as two less-efficient panels, then the cost of that energy (not to mention the space required) will be reduced. Photovoltaic (PV) cells are expected to be a large part of the solution to wean developed countries from their dependence on fossil fuels. Once used primarily for power generation in space and other remote locations, they are now increasingly used to meet commercial, industrial, and household energy needs. While PV technology presently supplies a relatively small fraction of total energy production, it is a rapidly growing source of renewable and sustainable energy. Beyond improved performance for photovoltaic devices, in terms of efficiency and reliability, the real challenge is to achieve significant cost reductions per kilowatt hour generated. Plastic or polymer organic materials, affording great ease of utilization are on course to gain acceptance alongside silicon for solar cell fabrication, even though technological barriers do still remain that need to be overcome. Fiber shaped devices are attractive for use in large scale electronics, sensing, thermoelectric generation and lighting. Couple with the commodity scale of fiber and textile technology, fiber based photovoltaic devices can help realize cost effective, scalable solar energy harvesting. Recently, there has been great interest in fiber-based photovoltaic cells for improving the performance of organic absorbers. Fiber-based solar cells are a subset of a larger class of photovoltaics that have been fabricated to have enhanced optical performance when used with low optical density absorbers. The current levels of dependence on fossil fuels, the need of reducing carbon emissions associated with the energy use and the prospects of developing a new and extremely innovative technology sector, make photovoltaics increasingly attractive. In the last years photovoltaic market expanded extensively, especially in Germany, followed by Spain and Italy. Several incentives have stimulated the expansion, rendering the photovoltaics industry ready to expand. However, the high production cost of electricity, due to the significant capital investment cost is the main barrier to large-scale deployment of photovoltaic systems. Both conventional and technical textiles are indispensible products for human daily life with various functions. Technical textiles find increasing application in industries as diverse as automotive, aerospace and medical and are also used as components in industrial facilities and machinery. Besides building construction, an innovative field of application is modern architecture where textile products are used as design elements and/or (large area) roofs. Nowadays textile roof constructed from coated fabrics are found worldwide in, e.g., football or tennis areas, airport malls, hangar to name but a few. It is a new application area for photovoltaic fibers as solar collectors. As a technology polymer, solar cells are unrevalled in terms of processing cost, processing speed, processing simplicity and thermal budget. It is the only photovoltaic technology that potentially offers a convincing solution to the problem og a high cost commonly encountered for photovoltaic technologies. There are, however, unsolved problems of low power conversion efficiency, poor operational stability, materials cost and environmental impact. The field of polymer and organic solar cells has been the subject of reviews, special issues and books on several occasions during the past 10 years. In this study, the development of the photovoltaic PET fibers using different kind of polymer-based photoactive materials was studied. This approach is especially appropriate for photovoltaic textile structures. This work presents results for photovoltaic performance obtained from the application of different bulk heterojunction blends onto flexible PET fibers for textile applications. We tried a different method for developing PET fibers with photovoltaic effect. For bottom electrode, we used Ag in PET fiber and PET tapes, because indium tin oxide is an expensive and to rigid for flexible textile structures. This study showed that highly conductive PEDOT: PSS solution and the semi transparent metallic layer can be used successfully as the anode and cathode of the organic solar cells respectively, in the case of flexible devices. Also, possibility of utilizing different conductive layers to substitute ITO anode was investigated, too. The maximum obtained short circuit current density was 0,375 mA /cm2 on Ag coated PET tapes using P3HT: PCBM light absorbing layer. The power conversion efficiency of PET fibers was not very high but it gives an open door for developing the device characteristics and production techniques for future applications. Also, the power conversion efficiency of photovoltaic PET tapes consisting of Ag layer (0, 26) was near what was obtained with ITO coated glass based solar cells. The reproducible results show that these materials can be used instead of ITO, in textile structure based solar cells. After optimization, this photovoltaic fiber design can be produced in the industry with techniques similar to the textile manufacturing processes to produce smart textiles.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    467155

    An investigation into polymer-based photovoltaic fiber structures

    Polimer esaslı fotovoltaik lif yapılarının araştırılması

    İSMAİL BORAZAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ DEMİR

    DOÇ. DR. AYŞE BEDELOĞLU

  2. Tez No

    323856

    Development of organic based photovoltaic fiber

    Organik esaslı fotovoltaik lif geliştirilmesi

    İSMAİL BORAZAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ DEMİR

  3. Tez No

    835382

    Electrospun polyacrylonitrile based composite nanofibers containing polyindole and graphene oxide

    Poliindol ve grafen oksit içeren poliakrilonitril tabanlı kompozit nanofiberler

    İLKNUR BOZKAYA GERGİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

  4. Tez No

    607256

    Ftalosiyaninlerin fotokatalitik uygulamaları

    Photocatalytic applications of phthalocyanines

    ANIL BERK ERGÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET GÜL

    DOÇ. DR. ALİ KILIÇ

  5. Tez No

    243545

    Fotovoltaik etki oluşturan lif geliştirilmesi

    Development of fibres with photovoltaic effects

    AYŞE ÇELİK BEDELOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    EnerjiDokuz Eylül Üniversitesi

    Tekstil Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YALÇIN BOZKURT

    PROF. DR. ALİ DEMİR

Geri Dön