Geri Dön

Design and characterization of carbon inks for perovskite solar cells

Perovskit güneş pilleri için karbon mürekkep tasarımı ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 513780
  2. Yazar: NUR DİLARA ÖZTÜRK
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ KILIÇ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Nanoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 127

Özet

Dünyada artan insan popülasyonuyla birlike enerji ihtiyacı da katlanarak artmaktadır. Ayrıca gelişen teknolojinin getirdiği enerjiye bağımlılık kullanılan geleneksel enerji kaynaklarının tükenmesine neden olmaktadır. Buna ek olarak geleneksel enerji kaynaklarının özellikle petrol bazlı kaynaklar Dünya üzerindeki karbon ayak izini arttırmakta ve çevreyi olumsuz yönde etkilemektedir. Bu nedenlerle araştırmacılar yeni, çevreye zarar vermeyen ve yenilenebilir enerji kaynaklarını araştırmaya başladılar. Güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, hidrolik enerji, jeotermal enerji, biyokütle enerjisi, hidrojen enerjisi, dalga enerjisi, gelgit enerjisi vb. gibi konularda birçok araştırma yapılmaktadır. Bunların arasında Güneş enerjisi özellikle ev sistemlerinde, taşıt sistemlerinde ve daha birçok alanda kullanılmaya başlanmış ve gün geçtikçe hem akademide hem de ticari alanda artan verimlilikle önemini arttırmaktadır. Güneş enerjisinden yararlanmak için kullanılan fotovoltaik piller (güneş pilleri) Güneş'den gelen ışınların bir yarı iletken yardımıyla elektrik enerjisine dönüşmesini sağlayan pillerdir. Bu sistemler uzay teknolojisinde uzay gemilerinde yada uydularda, evlerde su ısıtma yada ev elektrik enerjisinin karşılanmasında, yollarda aydınlatma sistemlerinde veya yol kenarındaki işaret lambalarında, arabalarda, teknelerde gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Üretilmeye başlandıktaki maliyetlerinin hızla düşmesi ve özellikle gelişmiş ülkelerde güneş enerjisinin kullanılması için verilen teşviklerle gün geçtikçe kullanımları artmaktadır. Almanya 2016 yıl sonunda 39.6 GW kurulu Güneş enejisi kapasitesi ile Dünya'da başı çekmektedir, onu daha sonra Çin, Japonya, İtalya ve Amerika Birleşik Devletleri izlemektedir. Türkiye'de ise kurulu Güneş enerjisi kapasitesi 2016 yılı sonu verilerinde 249 MW olarak kayda geçmiştir. Fotovoltaik pillerin gelişimi genel olarak üç gruba ayrılmaktadır. Ilk jenerasyon piller kristalin silikon piller olup, üretim aşaması zorlu ve maliyeti yüksektir. Ikinci jenerasyon piller amorf Si, polikristaline Si ve bakır indiyum galyum selenit Güneş pilleridir. Birinci jenerasyon pillerle karşılaştırıldığında verimliliği yüksek olmasına rağmen, tekrarlanabilirliği ve yüzey düzgünlülüğü açısından ticarileşmeye yeteri kadar uygun değillerdir. Bunun üzerine üçüncü jenerasyon piller geliştirilmiştir. Bu tür piller esnek yüzeylere uygulanabilirliği, düşük maliyet ve üretim yöntemlerinin kolaylığı açısından ticari olarak avantaj sağlamaktadırlar. Perovskit güneş pilleri de üçüncü jenerasyon güneş pillerinden olup, araştırılmaya başlandığı günden itibaren kısa bir sürede 22% verimliliğe ulaşmıştır. Perovskit yapısında iki tip katyon ve bir tip anyon bulundurmaktadır. Yapıdaki katyon veya anyonun değiştirilmesiyle optik ve elektriksel özellikleri değişmektedir. Kontrol edilebilen enerji bant aralığı, geliştirilebilen verimliliği ve üretim kolaylığı açısından Güneş pillerinde tercih edilmektedir. Perovskit güneş pilleri boşluk taşıma katmanı bulunduran ve bulundurmayan olarak ikiye ayrılmaktadır. Boşluk taşıma katmanı bulunduran pillerde bu katman genel olarak Spiro-Ometad yapısından yapılmaktadır. Spiro-Ometad'ın yüksek maliyetli olması nedeniyle araştırmacılar bu katmansız piller üretmeye başlamışlardır. Boşluk taşıma katmanı olmayan perovskitli güneş pillerinde başlıca altın veya karbon olarak iki tip elektrot kullanılmaktadır. Altının doğada nadir bulunması ve pahalı olması nedeniyle ve karbonun doğada bol bulunması, çevre dostu olması ve yüksek elektrik iletkenliği nedeniyle araştırmalar karbon elektrot üzerine yoğunlaşmıştır. Karbon elektrot için oluşturulan katman karbonun direk ygulanması veya bir mürekkep yada pasta olarak güneş pilline uygulanmasıyla elde edilir. Karbon mürekkep genel olarak karbon malzeme, bağlayıcı malzeme ve çözücü ortamı içermektedir. Elektrik iletkenliği karbon malzeme tarafından sağlanırken, stabilitesi bağlayıcı malzeme tarafından sağlanmaktadır. Içerdiği karbon malzeme karbon siyahı, grafit, karbon nanotüp gibi farklı karbon kaynakları olabilir. Çözüldüğü malzeme açısından ise su bazlı veya organik çözücü olmak üzere ikiye ayrılabilir. Karbon mürekkep sıklıkla yüksek iletkenliğin istenildiği alanlarda kullanılmaktadır ve düşük maliyeti açısından tercih edilmektedir. Sensör, güneş pilleri, biyoelektronikler, tekstil, süperkapasitörler, doku mühendisliği gibi uygulama alanları bulunmaktadır. Bu tez kapsamında, üç ayrı başlıkta oluşturulan karbon mürekkep özellikleri incelenmiştir. İlk tip karbon mürekkep oda sıcaklığında FTO yüzeye uygulanarak elektrik iletkenliği ve morfolojik özellikleri incelenmiştir. Ayrıca perovskit güneş pillerinde verimliliği ve uygulanabilirliği araştırılmıştır. İkinci tip karbon mürekkep, iki farklı kahve atığının farklı oranlarda aktive edici malzemeyle karbonize edilmesi sonucu elde edilen karbondan oluşturulmuştur. Elde edilen karbonların parçacık büyüklükleri mürekkepte kullanılmak için büyük olduğu saptanmıştır. Bunun üzerine karbonlar bilyalı öğütücüde öğütülerek hem parçacık boyutları küçültülmş hem de daha homojen bir dağılım oluşturulmuştur. Daha sonra SEM, DFT, BET ve Raman analizleri ile morfolojik ve fiziksel özellikleri hakkında analizler yapılmıştır. Yapılan analizler sonunda öğütülen karbonlardan, karbon mürekkepler yapılmıştır ve mürekkeplerin elektrik iletkenlik ve morfolojik değerleri incelenmiştir. En düşük direnç değerini veren mürekkep ile perovskit güneş pili denemesi yapılmıştır. Üçüncü tip karbon mürekkep de ise polimer malzeme katkılanmıştır. Yapılan literatür çalışması sonunda PVDF polimerinin perovskit güneş pillerinde kulanılmadığı ve bunun nedeninin ise PVDF'in çözücü ortamı olarak DMF'in tercih edilmesidir. DMF ise perovskit malzemeye uygulandığında, perovskit yapısını çözerek güneş piline zarar vermektedir. Fakat bu tez kapsamında çözücü ortamı olarak DMF kullanılmayıp, perovskit malzemeyi deforme etmeyen etil asetat kullanılmıştır. Polimer malzemenin katkılanarak elektriksel özelliklerinin geliştirilmesi için ise gümüş nanopartikül ve gümüş nitrat olmak üzere iki farklı katkı maddesiyle çalışılmıştır. Sadece PVDF film, gümüşle katkılanan PVDF film ve gümüş ntratla katkılanan PVDF filmin FTIR sonuçları alınarak kristallite özellikleri araştırılmıştır. Gümüş naopartikül ve gümüş nitrat malzemenin PVDF'in kristalin özelliklerini geliştirdiği görülmüş ve değişik miktarlarda katkılama yapılarak optimum oran bulunulmaya çalışılmıştır. Farklı oranlarda katkılanan polimerle karbon mürekkepler yapılarak, deneyler sonucu elde edilen mürekkeplerin elektrik iletkenlik ve morfolojik özellikleri araştırılmıştır. Düşük direnç değeri veren mürekkepler düşük sıcaklıkta perovskit güneş piline uygulanarak, çalışılabilirliği araştırılmıştır.

Özet (Çeviri)

Energy demand in the world has been increasing in every day because of increasing human population and improving technology. Between the 2016 and 2040 it is estimated that energy needs of the humanity will expand 30%. Traditional energy sources couldn't meet the demand so researchers have focused on the new and renewable energy sources. Solar energy is one of the important renewable energy source can decrease the energy needs in the world. Especially in the improved countries many researches have focused on this topic to improve the efficiency and getting commercilization. According to World Energy Council datas at the end of the 2016, Germany is the leader solar installed capacity of the world. In this area, Turkey doesn't have sufficient installed solar capacity, however, installed solar capacity are growing day by day. Solar cell converts sunlight to the electricitiy with semiconductor materials and part of the solar energy sources. It can be divided into three categories and perovskite solar cell is the lastest and encouraging generation of this solar cells because of their low cost, easy to produce and high efficiency. Perovskite solar cell structure is based on with hole transport layer and without hole transport layer. For hole transport layer generally has been used spiro-Ometad which is high cost material. On the other hand, in the HTM-free perovskite solar cell, perovskite acts as a hole transport layer and conductivity is supplied from carbon electrode or gold electrode. Carbon electrode has been prefered because of its high conductivity, low cost, abundant in nature and environmentally friendly properties. Electrode can be obtained from bare carbon type or carbon ink/paste. Carbon ink generally contains carbon material, binder and solvent. Carbon material can be different type of carbon such as activated carbon, carbon black, graphtie, graphene, carbon nanotubes etc. In the ink formulation, carbon supply electrical conductivity of the ink and binder is responsible for the ink stability. According to solvent type carbon ink may be dissolved in water based or polymer based solvents. Carbon ink is preffered while the high conductivity is requested. Solar cell, supercapacitor, bioelectronic, textile, tissue engineering and sensor are main application areas of the carbon ink. In this thesis, carbon inks were designed and characterized. First carbon ink was processed at room temperature on the FTO substrate and its electrical conductivity and morphologic structures were determined. Moreover, it was applied on the perovskite solar cell and measured the photovoltaic properties. As second type, carbon inks containing carbon particles obtained by carbonization of two different type of coffee waste with different ratio of activation material were prepared and their resistivity and morphology were investigated. In the third type of carbon inks, doped polymer structures were used and processed at low temperature on FTO surface in order to measure their electrical resistivity and to determine their morphologic structures. The lowest resistivity inks obtained from all the ink types were applied by doctor blade method as electrodes on perovskite solar cell and the performance of the cells were tested.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    485293

    Elektronik baskı uygulamalarına yönelik alaşım ve metalik nano partiküllerin üretimi

    Alloy and metallic nanoparticle production for printed electronics

    ŞERZAT SAFALTIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN

  2. Tez No

    536175

    Karbon nanotüp destekli Pt, Bi ve Ru monometalik katalizörlerin nano tasarım ile sentezi, karakterizasyonu ve alkol yakıt pili uygulamaları

    Synthesis and characterization of carbon nanotube supported Pt, Bi and Ru monometalic catalysts with nano design and application of alcohol fuel cells

    NİZAR ALBOUNİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimya MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HİLAL DEMİR KIVRAK

    DR. HİLAL ÇELİK KAZICI

  3. Tez No

    783108

    Design and characterization of aromatic thermosettingcopolyester resin for polymer matrix nanocomposites

    Aromatik termosetin tasarımı ve karakterizasyonupolimer matrisli nanokompozitler için kopoliester reçine

    METE BAKIR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine MühendisliğiUniversity of Illinois at Urbana-Champaign

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. IWONA JASIUK

  4. Tez No

    885624

    Fabrication and characterization of a carbon fiber/ epoxy composite reflector antenna

    Karbon fiber/ epoksi kompozit reflektör anten imalatı ve karakterizasyonu

    SÜMEYYA YAZAN ÖZCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI

  5. Tez No

    545322

    Azot katkılı karbon yapılarının PEM yakıt pili katalizör destek malzemesi olarak sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of nitrogen doped carbon structures as a PEM fuel cell catalyst support material

    MERVE HURŞİT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    EnerjiAtatürk Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN

Geri Dön