Broadband metamaterial solar cell design
Geniş bantlı metamalzeme güneş hücresi tasarımı
- Tez No: 921990
- Danışmanlar: PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Metamalzeme güneş hücreleri günümüzün çoğalan nüfusuyla beraber günden güne artan enerji ihtiyacına standart güneş hücrelerine göre daha verimli, hafif, ince ve uygun fiyatlı yapısıyla yaygın üretime imkan tanıyan yenilikçi bir temiz enerji çözümü sunar. Standart güneş pilleri gibi güneş enerjisini elektrik enerjisine ya da ısı enerjisine çevirir. Bahsedilen yaygın güneş hücreleri ile oluşturulan günümüzün tipik monokristal ve polikristal güneş panellerinin mevcut verimlilikleri ortalama %15 - %23 aralığındadır, özel yollarla ticari olarak üretilen daha pahalı güneş paneli sistemleri ise %40 - %50'ye kadar verimlilik sağlayabilir. Ancak bu tür özel sistemler maaliyeti fazla olduğu için tipik konut sistemlerinde genel olarak tercih edilmemektedir. Bu sorunları çözmek için, ileri malzeme teknolojileri içinde yer alan metamalzemeler üzerine yapılan araştırmalar büyük bir ivme kazanmıştır. Metamalzeme güneş hücreleri, yüksek ışık tutuculuk ve geniş bantlı emilim özellikleri sayesinde birçok farklı alanda kullanılabilir. Bina entegrasyonunda, özellikle günümüz mimarisinde, enerji üretimini yapılarla birleştirerek yenilenebilir enerji çözümleri sunar. Hafif ve esnek yapıları sayesinde taşınabilir enerji sistemleri için de uygundur. Örneğin çadırlar, akıllı sırt çantaları ve mobil cihazlar gibi günlük hayatta farklı amaçlar için kullanılabilir. Uzay teknolojilerinde ise yüksek verimlilikleri ve dayanıklılıkları sayesinde uydular ve diğer uzay araçları için ideal bir enerji kaynağı oluşturur. Elektrikli araçların ya da toplu taşıma araçlarının yüzeylerine entegre edilerek bu araçların enerji verimliliğini artırabilir. Kırsal bölgelerde ya da tarımsal alanlarda enerji ihtiyacını karşılamak için şebekeye ihtiyaç duymadan kullanılabilir. Esnek ve ince tasarımları sayesinde giyilebilir teknolojilere entegre edilerek akıllı saatler ve kıyafetler gibi cihazlarda enerji sağlama potansiyeline sahiptir. Ayrıca hafifliği, dayanıklılığı ve taşınabilirliği sayesinde askeri uygulamalarda da kullanılabilir. Örneğin kamuflajlı cihazlar bu alanda iyi bir örnektir. Bu çeşitlilik, metamalzeme güneş hücrelerini enerji üretiminden çok daha fazlası için öncü bir teknoloji haline getirmektedir. Metamalzeme güneş hücreleri, yüksek verimlilikleri ve düşük üretim maaliyeti sayesinde enerji sektöründe yenilikçi bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Önümüzdeki dönemde bu alanda yapılan çalışmaların artarak, bu yenilikçi teknolojinin gündelik hayatın farklı alanlarında daha yaygın bir şekilde kullanılmasına olanak sağlayacağı ve güneş panellerinin üretim maaliyetlerini düşüreceği öngörülmektedir. Güneş ışığının dalga boyu yani solar spektrum 300 nm ile 3000 nm arasındadır, bu da frekansın 1000 ile 100 THz arasında olduğu anlamına gelir. Bu spektrum, görünür ışığın yanı sıra, kızılötesi (IR) ve morötesi (UV) bölgelerini de kısmen kapsamaktadır. Güneş ışığı yer yüzüne gelene kadar yüzey yansımaları, termal kayıplar ve emilemeyen ışık gibi sebeplerden dolayı kayıplara uğrar bu yüzden güneş ışığının %100' ünden faydalanmak mümkün değildir. Dünyamızdaki güneş ışığının çoğunluğu görünür ışık bölgesinde yer alır, 400 nm ile 750 nm arasındaki dalga boylarına sahip ışık bu aralığa denk gelir. Güneş hücreleri bu dalga boylarında çalışacak şekilde tasarlanır, metamalzeme güneş hücresinin de çalışma aralığı bu bantta olmalıdır. Bu yüzden, metamalzeme güneş hücreleri görünür bölge frekanslarını da kapsayan bir aralıkta çalışacak şekilde tasarlanmalıdır. Metamalzeme tasarımında hücre cevabı istenilen frekans aralığına göre, seçilen malzeme değiştirilmeden, sadece tasarım boyutlarında değişiklik yapılarak da optimize edilebilir. Bu tezde, güneş hücrelerinin enerji dönüşüm verimliliğini artırmaya yönelik metamalzeme tabanlı yeni bir güneş hücresi tasarımı hedeflenmiştir. Bunun için öncelikle geniş bantlı ışık emilimini sağlayarak özellikle görünür ışık bölgesinde verimli olan bir metamalzeme soğurucu tasarlanmıştır. Metamalzeme emicilerin prensibi, metamalzeme yüzeyi tarafından yansıtılan elektromanyetik (EM) dalgalarının emilimi ile açıklanmaktadır. Yüksek emilim oranı elde etmek için yansıma ve geçirgenlik mümkün olduğunca sıfıra yakın olmalıdır. Bu amacın gerçekleştirilebilmesi için üst metal katmanda Hilbert fraktal yapısını kullanan bir metamalzeme emici önerilmiştir. Güneş ışınlarının doğası gereği geliş açıları ve yönleri farklıdır panellerin her yönden gelen ışınları algılayabilmesi için polarizasyondan bağımsız olması gerekir. Polarizasyondan bağımsız bir yapı elde etmek ve geliş yönü problemini ortadan kaldırmak için metamalzeme güneş hücresinin üst metal deseni simetrik yapıda tasarlanmalıdır. Önerilen tasarımda Hilbert eğrisinin ilk 4 derecesi denenmiş ancak 2.dereceden sonra şeklin karmaşık yapısına rağmen iyi derecede emicilik elde edilememiştir. Optimum sonuç 2.derece Hilbert eğrisi ile elde edilmiştir. Polarizasyondan bağımsız bir yapı elde etmek için metal üst yüzey deseninde Hilbert eğrisinin 2.derecesi 90 derecelik açılarla z ekseni etrafında döndürülmüş, ortaya bir kare konularak birleştirilmiş, şekil simetrik hale getirilmiştir. Öngörüldüğü gibi Hilbert fraktalının kıvrımlı yapısı güneş ışınlarının kırılımını arttırarak daha fazla emilim sağlamıştır. Metamalzeme yapı üretim kolaylığı, hafiflik ve kolay uygulanabilirlik için 3 katmanlı olarak tasarlanmıştır. Metamalzeme soğurucuların alt tabanı iletken metal bir malzeme ile kaplanır. Bu iletken tabaka gelen EM dalganın iletilmesini engelleyeceği için teorik olarak geçirgenlik yani iletim olmadığı varsayılır. En üst katman ve en alt katman metal malzeme orta katman ise dielektrik malzemeden oluşmaktadır. İlk aşama olarak terahertz bandında çalışan, termal iletkenliği ve ısıya karşı direnci yüksek olan güneş enerjisi uygulamalarında kullanıma uygun bazı metal ve dielektrik kaybı düşük olan bazı dielektrik malzemeler belirlenmiştir. Bu belirlenen malzemelerden bir metal bir dielektrik seçilip malzeme ilk adımda sabit tutularak metamalzeme emicinin belirlenen terahertz frekans bandında emilimi %80'in üzerinde olacak ve geniş bantlı bir emilim spektrumu elde edilecek şekilde, tasarım şekli optimizasyonu yapılmıştır. Daha sonra belirlenen ana tasarım üzerindeki birim ölçüler farklı aralıklarda simüle edilmiş ve birim ölçüler için optimum değerler belirlenmiştir. Farklı yükseltili emici yapılar, güneş hücresinin Air Mass 1.5 (AM1.5) güneş spektrumu altında farklı ağırlıklı emilimler gerçekleştirmesini sağlar. Bu yüzden önerilen ana tasarımda metal üst yüzeyde artı şeklinde bir yapı belirlenmiş ve bölgenin yüksekliği maksimum emilim için optimize edilmiştir. Tasarımdaki bu yükselti farkı kırılımı artırmış ve daha yüksek emilim sağlamıştır. Tüm bu birim ölçüsü optimizasyonlarından sonra optimum metamalzeme güneş hücresi ölçüleri belirlenmiştir. Sonrasında ana tasarıma çerçeve yapısı eklenerek geniş bantlı yapının frekans aralığı daha da genişletilerek tüm solar spektrumu kapsayacak şekilde optimize edilmiştir. Birim hücre optimizasyonlarından sonra ilk etapta uygun olarak belirlenen malzemeler arasında malzemeler değiştirilerek simülasyonlar yapılmıştır. Önerilen tasarımda yapılan tüm malzeme optimizasyonları sonrasında ideal sonuçlar için, alt katman ve üst katman desen metali olarak nikel (Ni) ve orta katman dielektrik malzeme olarak silisyum dioksit (SiO₂) kullanılmıştır. Nikel, yüksek elektrik iletkenliği ve terahertz frekanslarında iyi bir performans göstermesi nedeni ile tercih edilmiştir. Ayrıca nikel, yüksek sıcaklıklara ve oksidasyona karşı dayanıklı bir metaldir ve düşük maliyetlidir. Düşük maaliyetli olması, geniş çaplı üretimi kolaylaştırır. Silisyum dioksit ise yüksek termal stabilite sağlar. Aynı zamanda düşük kayıplı bir dielektrik olması, güneş hücresinin verimliliğini artırmaya katkıda bulunur. Bu iki malzemenin bir arada kullanılması, metamalzeme soğurucunun geniş bantlı ışık emme kapasitesini artırarak, güneş enerjisi uygulamaları için ideal bir yapı oluşturur. Yapılan simülasyon sonuçlarına göre önerilen metamalzeme güneş hücresi 100 - 1000 THz frekans bandında %86 üzerinde etkili emilim sağlamış ve böylece solar spektrumu kapsayacak şekilde bir performans göstermiştir. Yapılan simülasyonlar doğrultusunda, önerilen yapının performansı değerlendirilmiş ve elde edilen sonuçlar analiz edilerek bu yapının güneş enerjisi uygulamalarındaki potansiyeli incelenmiştir. Bununla birlikte, tasarımın etkinliğini değerlendirmek için analizler, AM1.5 ışınımı altında da değerlendirilmiştir. The American Society for Testing and Materials (ASTM) G-173 standardına göre tanımlanan AM 1.5 ışınımı, güneş ışınlarının atmosfere 48.2°'lik bir açıyla geldiği ve dünya yüzeyinde ortalama güneş ışınımını simüle eden bir standarttır. Bu koşul, güneş hücrelerinin gerçek dünyadaki performansını ölçmek için standart olarak kullanılır. Bu bağlamda, önerilen metamalzeme emici yapısının AM1.5 koşulları altında sağladığı verimlilik incelenmiştir. Optik analizlerle emilim oranlarının hesaplanmasının yanında bu emilim değerlerine göre AM1.5 standartları altında elektriksel hesaplamalar da 2 farklı yöntem kullanılarak yapılmıştır. Her iki yöntem sonucuna göre önerilen metamalzeme güneş hücresi yüksek verimlilik değerleri göstermiştir. Tezde önerilen metamalzeme güneş hücresi tasarımı optimum tasarım yapısı, ideal birim ölçüleri ve uygun malzeme seçimi ile istenilen sonuçları sağlamıştır. Tezin bölümlerine bakacak olursak ilk bölümde literatürdeki ilgili çalışmaların kapsamlı bir analizi yapılmış ve konunun temel bilgileri sunulmuştur. Bu bölümde tasarım amacı, kullanım alanlarından ve tez için önemli olan anahtar kelimeler üzerine bilgi verilmiştir. İkinci bölümde solar enerjinin temel bilgileri verilmiştir. Bu kısımda solar enerjinin temelinin neye dayandığı oluşma şekli ve kullanım alanları açıklanmıştır. Üçüncü bölümde önerilen tasarımda kullanılan metamalzemenin yapısı, uygulama alanları hakkında bilgiler verilmiş, simülasyonların hangi prensiplere dayandığını daha iyi anlamak adına metamalzeme emicilerin prensipleri açıklanmıştır. Dördüncü bölümde metamalzemelerin solar cellerdeki kullanımı açıklanarak, metamalzeme güneş hücresinin çalışma aralığının belirlenebilmesi için solar spektrum hakkında bilgi verilmiş, tasarımda kullanılan Hilbert fraktal yapısı açıklanmış, optimizasyon süreçleri verilmiş, tasarım adımları detaylıca açıklanmış ve simülasyon sonuçları paylaşılmıştır. Elektriksel hesaplamalar için AM1.5 koşulu açıklanmış, bu koşul altındaki hesaplamalar detaylı şekilde verilmiştir. Son bölümde simülasyon ve hesaplama sonuçları verilmiş literatürdeki diğer çalışmalarla karşılaştırılarak çalışma bitirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Metamaterial solar cells offer a more efficient, lightweight, thin and cost-effective solution than standard solar cells to meet today's increasing energy needs. While traditional monocrystalline and polycrystalline solar panels provide an average efficiency of %15 - %23, more expensive custom-made systems can reach up to %40 - %50. However, such systems are generally not preferred outside of residential systems or very large-scale applications due to their high costs. Metamaterial solar cells can be used in various applications with their broad-band light absorption and high light absorption properties. In areas such as building integration, they offer renewable energy solutions by combining architecture with energy production. Thanks to their lightweight and flexible structures, they are suitable for portable energy systems. For example, they are ideal for daily use such as tents, smart backpacks and mobile devices. For space technologies, they provide energy to satellites and other space vehicles thanks to their durability and high efficiency. They can also be integrated into the surfaces of electric vehicles and increase energy efficiency. Metamaterial solar cells offer an innovative and cost-effective solution for the renewable energy sector. In the future, this technology is expected to be more widely used in various fields and help reduce the cost of standard solar panels. The solar spectrum ranges from 300 nm to 3000 nm, covering frequencies between 100 THz and 1000 THz. However, due to reflection and absorbed energy, not all of this spectrum can be fully utilized. Metamaterial solar cells should be designed to efficiently capture the visible light portion of this spectrum. This thesis aims to design a new metamaterial-based solar cell to increase solar energy efficiency. To achieve this, a metamaterial absorber has been developed to provide broad-band light absorption, particularly efficient in the visible light region. The principle of metamaterial absorbers is based on the absorption of electromagnetic (EM) waves reflected by the metamaterial surface. To achieve high absorption rates, reflection and transmission should be as close to zero as possible. To accomplish this, a metamaterial absorber using the Hilbert fractal structure has been proposed for the top metal layer. Since sunlight has varying angles and directions, the solar panel must be polarization-independent to catch solar rays from all directions. Therefore, the top metal patch design of the metamaterial solar cell should be symmetrically configured to be independent of polarization. In the proposed design, the first four degrees of the Hilbert curve were tested, but only the second-degree Hilbert curve achieved a good level of absorption. To create a polarization-independent structure, the second-degree Hilbert curve was rotated 90 degrees around the z-axis, forming a symmetrical structure with squares integrated into it. This design improves light absorption by increasing the diffraction of sunlight. The metamaterial structure is designed in a 3-layer configuration for ease of fabrication, lightweight, and ease of application. The bottom layer is coated with a conductive metal material to minimize transmission, assuming theoretical zero transmission. The middle layer is a dielectric material, while the bottom and top layer is a metal layer. For this design, materials suitable for high thermal conductivity and low dielectric loss were selected, ensuring absorption above 80% in the terahertz frequency band. Unit dimensions were optimized through simulations. Also, the proposed design determined a plus-shaped structure on the metal surface and the height of this determined structure was optimized for maximum absorption. Following unit optimizations, the final metamaterial solar cell dimensions were determined. The frame structure was then added to extend the frequency range to cover the entire solar spectrum, beyond just the visible region. Simulations were performed with varying materials within the initially selected ones to ensure a high-performance, broad-band absorption spectrum. In the proposed design, after all material optimizations, the bottom layer uses nickel (Ni) as the metal material, and the middle layer is silicon dioxide (SiO₂) as the dielectric material. Nickel is preferred due to its high electrical conductivity and excellent performance across a wide frequency range. Additionally, nickel is resistant to high temperatures and oxidation, and its low cost facilitates large-scale production processes. Silicon dioxide provides superior dielectric properties with high thermal stability and low-loss characteristics, enhancing the solar cell's efficiency. The combination of these two materials improves the broadband light absorption capacity of the metamaterial absorber, making it an ideal structure for solar energy applications. Simulation results show that the proposed metamaterial solar cell achieves over %86 absorption in the 100 - 1000 THz frequency band, ensuring comprehensive coverage of the solar spectrum. The performance of the proposed design was evaluated through simulations, with a focus on its potential in solar energy applications. Additionally, the design's effectiveness was assessed under AM1.5 (Air Mass 1.5) conditions. AM1.5 radiation represents solar rays hitting the atmosphere at a 48.2° angle, simulating average solar energy on Earth's surface. This condition is used to measure how well solar cells perform in real-world conditions, especially in solar energy systems. The proposed metamaterial absorber solar cell structure's efficiency under AM 1.5 conditions was analyzed, showing its benefits for solar energy use. Electrical calculations were made under AM1.5 standards using two different methods by taking the absorption ratios found as a result of optical analysis. The calculations as a result of both methods showed that the proposed metamaterial solar cell achieved high efficiency. The design of the metamaterial solar cell in this thesis successfully met the targeted results with its optimized structure, ideal unit dimensions and appropriate material selection.
Benzer Tezler
- Design, fabrication and characterization of micromachined THz absorbers
Mikro ̇ıslenmis THz emicilerin tasarımı, Üretimi ve karakterizasyonu
AYDA MAMAGHANİ
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARDA DENİZ YALÇINKAYA
- Design and analysis of metamaterial based perfect absorbers
Metamalzeme bazlı mükemmel soğurucuların dizayn ve analizi
MAHMUT CAN SOYDAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VAKUR BEHÇET ERTÜRK
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Design of a metamaterial for underwater acoustic absorption
Sualtı akustik absorbasyon için metamalzeme tasarımı
MUHAMMED UMAR BAYER
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MOSTAFA RANJBAR
- Yüksek frekans 5G bantlarında çalışan metamalzeme soğurucu ve X-, Ku-, K-bantlarında çalışan polarizasyon dönüştürücü tasarımlarının gerçekleştirilmesi
Development of desings of metamaterial absorber operating in high-frequency 5G bands and polarization converter operating in X-, Ku, and K-bands
SEHER ŞEYMA ARSLAN MADAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiIğdır ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RAMAZAN TOPKAYA
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET TEBER
- Design, fabrication and characterization of an ultra-broadband metamaterial absorber using bismuth in the near infrared region
Yakın kızılötesi bölgesinde çalışan çok geniş bantlı bir metamalzeme soğurucunun bizmut kullanılarak tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
İMRE ÖZBAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖNÜL SAYAN