fotovoltaik etki oluşturan lif geliştirilmesi

181 Pages·2009·10.94 MB·Turkish

DOKUZ EYLÜL ÜNĐVERSĐTESĐ
FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ

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
DOKTORA TEZĐ SINAV SONUÇ FORMU

AYŞE (ÇELĐK) BEDELOĞLU, tarafından PROF. DR. YALÇIN BOZKURT ve
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
Fen Bilimleri Enstitüsü
ii
TE(cid:3)EKKÜR

Doktora tezi çal(cid:13)(cid:14)mam(cid:13)n yürütülmesinde büyük yard(cid:13)mlar(cid:13)n(cid:13) ve desteklerini
gördü(cid:25)üm dan(cid:13)(cid:14)manlar(cid:13)m Prof. Dr. Yalç(cid:13)n BOZKURT ve Prof. Dr. Ali DEM(R’e
sonsuz te(cid:14)ekkürlerimi sunar(cid:13)m. Ayr(cid:13)ca, tez izleme komitesi üyeleri Prof. Dr. Nilüfer
ERDEM ve Prof. Dr. Devrim BALKÖSE’ye tezimle ilgili her türlü ele(cid:14)tiri ve
önerileri için te(cid:14)ekkür ederim.

Avusturya’da Johannes Kepler Üniversitesi’nde güne(cid:14) pilleri ile ilgili
gerçekle(cid:14)tirdi(cid:25)im deneysel çal(cid:13)(cid:14)malar(cid:13)ma çok de(cid:25)erli fikir ve önerileriyle yard(cid:13)mc(cid:13)
olan hocam Prof. Dr. Niyazi Serdar SARIÇ(FTÇ(’ye ve Dr. Robert KÖPPE, Martin
EGGINGER, Philipp STADLER, Gerda KALAB ba(cid:14)ta olmak üzere, LIOS (Linz
Institute for Organic Solar Cells) ekibine, Y(cid:13)ld(cid:13)z Teknik Üniversitesi’nden Doç. Dr.
Serap Güne(cid:14) ve Ara(cid:14).Gör. Nimet CANLI YILMAZ’a çok te(cid:14)ekkür ediyorum.

Doktora çal(cid:13)(cid:14)mam süresince, beni burslar(cid:13)yla (2211 kodlu Yurt (çi Doktora Burs
Program(cid:13) ve 2214 kodlu Yurt D(cid:13)(cid:14)(cid:13) Ara(cid:14)t(cid:13)rma Burs Program(cid:13)) destekleyen TÜB(TAK
(Türkiye Bilimsel ve teknolojik Ara(cid:14)t(cid:13)rma Kurumu)’a ve tez çal(cid:13)(cid:14)mas(cid:13) projemizi
destekleyen Dokuz Eylül Üniversitesi Bilimsel Ara(cid:14)t(cid:13)rma Projeleri (BAP) Kuruluna
te(cid:14)ekkürü bir borç bilirim (Proje No: 2007.KB.FEN.38).

Son olarak, hayat(cid:13)m boyunca hem maddi hem manevi desteklerini, sevgi ve
yard(cid:13)mlar(cid:13)n(cid:13) bir an olsun esirgemeyen sevgili anneme ve babama, deste(cid:25)iyle hep
yan(cid:13)mda olan sevgili karde(cid:14)im Ahmet’e ve beni doktora tezimin her a(cid:14)amas(cid:13)nda
destekleyen ve cesaretlendiren, (cid:14)ehirler ülkeler aras(cid:13)ndaki mesafeleri yok ederek her
an yan(cid:13)mda olan e(cid:14)im Bar(cid:13)(cid:14)’a tüm kalbimle te(cid:14)ekkür ediyorum.

Ay(cid:14)e(Çelik) BEDELOELU

iii
FOTOVOLTA(cid:7)KETK(cid:7) OLU(cid:12)TURAN L(cid:7)FGEL(cid:7)(cid:12)T(cid:7)R(cid:7)LMES(cid:7)
ÖZ

Bu tez çal(cid:12)(cid:13)mas(cid:12)nda, organik güne(cid:13) pili malzemelerinin tekstillere uygulanmas(cid:12)yla
fotovoltaik etki gösteren tekstil yap(cid:12)lar(cid:12) meydana getirilmi(cid:13)tir. Elde edilen esnek
yap(cid:12)lar(cid:12)n fotovoltaik özellikleri, standart cam ve plastik güne(cid:13) pilleri ile
kar(cid:13)(cid:12)la(cid:13)t(cid:12)r(cid:12)lm(cid:12)(cid:13)t(cid:12)r. Tekstil malzemeleri olarak polipropilen polimer malzemesi esasl(cid:12)
monofilament ve (cid:13)eritlerin kullan(cid:12)ld(cid:12) (cid:12) polimer esasl(cid:12) güne(cid:13) pili yap(cid:12)lar(cid:12)nda, alt
elektrot için farkl(cid:12) polimer esasl(cid:12) malzemeler (PEDOT:PSS ve CNT:PANI) ve gümü(cid:13)
tabakas(cid:12), fotoaktif tabaka için P3HT:PCBM ve MDMO-PPV:PCBM malzemeleri ve
üst elektrot için ise farkl(cid:12) (cid:13)effaf metal tabakalar (LiF/Al, Al/Ag) kullan(cid:12)lm(cid:12)(cid:13)t(cid:12)r.
Standart güne(cid:13) pillerinin tersine, (cid:12)(cid:13)(cid:12) (cid:12)n üst elektrottan gelecek (cid:13)ekilde planlanmas(cid:12)
nedeniyle (cid:13)effaf üst elektrotlar(cid:12)n kullan(cid:12)lmas(cid:12) ve ITO yerine polimerik anot ve baz(cid:12)
çal(cid:12)(cid:13)malarda gümü(cid:13) metal tabakas(cid:12)n(cid:12)n denenmesi çal(cid:12)(cid:13)man(cid:12)n özgün niteliklerini
olu(cid:13)turmaktad(cid:12)r. Tüm deneyler içerisinde polipropilen (cid:13)eritler için en iyi verim yüzde
0,33 olarak bulunurken, enine kesiti yuvarlak monofilament için yüzde 0,02 olarak
elde edilmi(cid:13)tir. Fotovoltaik yap(cid:12)lar de erlendirilirken UV-Vis so urma spektrumlar(cid:12),
AFM ve SEM mikroskopi teknikleri kullan(cid:12)larak elde edilen görüntüler, ak(cid:12)m-
gerilim (I-V) ölçümleri ve monokromatik foton-ak(cid:12)m dönü(cid:13)üm verimi (IPCE)
ölçümleri gerçekle(cid:13)tirilerek grafikler ve de erlerle gösterilmi(cid:13)tir.

Güne(cid:13) enerjisini kullanarak elektrik enerjisi üreten bu fotovoltaik tekstil yap(cid:12)lar(cid:12)
ile yak(cid:12)n gelecekte ta(cid:13)(cid:12)nabilir küçük elektronik cihazlar(cid:12)n elektrik enerjisi
ihtiyaçlar(cid:12)n(cid:12) kar(cid:13)(cid:12)lamak amaçlanmaktad(cid:12)r. Bu yap(cid:12)lar(cid:12)n geli(cid:13)tirilmesi ile her ko(cid:13)ulda,
ayd(cid:12)nlatma, so utma, (cid:12)s(cid:12)tma ve benzeri amaçlar için gerekli enerji ihtiyac(cid:12)n(cid:12)n
kar(cid:13)(cid:12)lanmas(cid:12) dü(cid:13)ünülmektedir.

Anahtar Kelimeler: Ak(cid:12)ll(cid:12) tekstil,fotovoltaik lif, polimer esasl(cid:12) organik güne(cid:13) pili.
iv
DEVELOPMENT OF FIBRES WITH PHOTOVOLTAIC EFFECTS

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.

Keywords: Smart textile, photovoltaic fibre, polymer based organic solar cell.
v
(cid:1)Ç(cid:1)NDEK(cid:1)LER

Sayfa
DOKTORA TEZ(cid:16)SINAV SONUÇ FORMU.............................................................ii
TE(cid:25)EKKÜR................................................................................................................iii
ÖZ...............................................................................................................................iv
ABSTRACT.................................................................................................................v

BÖLÜM B(cid:1)R-G(cid:1)R(cid:1)(cid:16)................................................................................................1

1.1Fotovoltaik 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 (cid:16)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
1.2Teknik Tekstiller- Ak0ll0 Tekstiller..................................................................14
1.2.1 Sentetik Lifi Nitelikli Life Dönü’türen Katk0 Maddeleri..........................16
1.2.2 Fotovoltaik Tekstiller................................................................................18

vi
BÖLÜM (cid:1)K(cid:1) -ORGAN(cid:1)KGÜNE(cid:16) P(cid:1)LLER(cid:1)......................................................24

2.1Organik Güne’ Pilleri.......................................................................................24
2.2Organik Yar0 iletkenler ve Yap0sal Özellikleri................................................24
2.2.1 S0v0 Kristaller............................................................................................27
2.2.2 Karbon Nanotüpler....................................................................................27
2.2.3 (cid:16)letken Polimerler......................................................................................28
2.2.3.1 Konjüge Polimerler............................................................................28
2.3 (cid:16)norganik ve Organik Güne’ Pillerinin Kar’0la’t0r0lmas0.................................29
2.4Fotovoltaik Etki Olu’umu................................................................................30
2.4.1 I’010nEmilmesi ve Elektron-Bo’luk Çiftinin Olu’mas0...........................31
2.4.2 Elektron-Bo’luk Çiftinin Ayr0lmas0 veDifüzyonu...................................34
2.4.3 Yüklerin (cid:16)lgili Elektrotlara Toplanmas0....................................................34
2.4.4 Elektrotlarda Durum.................................................................................36
2.5Organik Güne’ Pillerinin Özellikleri...............................................................37
2.6 I’0kYayan Diyotlar ve Fotovoltaik Piller........................................................40
2.7Organik Güne’ Pili Tipleri...............................................................................42
2.7.1 Tek Tabakal0 Cihazlar...............................................................................42
2.7.2 (cid:16)ki Tabakal0 Heteroeklem Tipi..................................................................42
2.7.3 Kar0’0m Heteroeklem Tipi.........................................................................43
2.7.4 Lamine Edilen Tabakalar..........................................................................44
2.7.5 Da10lm0’ (cid:16)ki Tabakal0 Heteroeklem Tipi..................................................45
2.8Organik Güne’ Pillerinin Olu’turulmas0ndaKullan0lan Yöntemler................45
2.9Organik Güne’ Pillerinin Tekstil Uygulamalar0..............................................46

BÖLÜM ÜÇ - MATERYAL VE METOD............................................................51

3.1Polimer 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 (cid:16)letkenlikli PEDOT:PSS (Baytron PH PEKA).............................54
3.2.2 Yüksek (cid:16)letkenlikli PEDOT:PSS (Baytron PH 500).................................54
vii
3.2.3 PEDOT:PSS’ye Karbon Nanotüp (CNT)-Polianilin (PANI) Kar0’0m0
(cid:16)lavesi.................................................................................................................54
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
3.4Polimer Esasl0 Organik Güne’ Pillerinde Kullan0lan Üst Metal Elektrotlar:
Katotlar...................................................................................................................57
3.5Geli’tirilen Güne’ Pillerinin Karakterizasyonu...............................................59

BÖLÜM DÖRT - DENEYSEL ÇALI(cid:16)MA...........................................................62

4.1Bilinen Organik Güne’ Pilinin Haz0rlanmas0 ((cid:16)ndiyum Katk0l0 Kalay Oksit
(ITO) Kapl0 Cam Üzerinde Polimer Esasl0 Organik Güne’ Pili)...........................63
4.1.1.Katman 1: Ta’0y0c0 Tabakalar0nHaz0rlanmas0..........................................63
4.1.2 Katman 2 ve 3: PEDOT:PSS ve Fotoaktif Tabakan0nKaplanmas0..........64
4.1.3 Katman 4: Metal Üst Elektrotun Kaplanmas0...........................................64
4.2Uyarlanan Organik Güne’ Pilinin Haz0rlanmas0 ((cid:16)ndiyum Katk0l0 Kalay Oksit
Kapl0 Cam Üzerinde Polimer Esasl0 Organik Güne’ Pili).....................................66
4.3Yeni 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 (cid:16)’lemine Haz0rlanmas0..........66
4.3.2 PEDOT:PSS’nin ve Fotoaktif Tabakan0nHaz0rlanmas0...........................67
4.3.2.1 Katman 2: PEDOT:PSS’nin Haz0rlanmas0........................................67
4.3.2.2 Katman 3: P3HT:PCBM Kar0’0mlar0n0nHaz0rlanmas0......................67
4.3.2.3 Katman 3: MDMO-PPV:PCBM Kar0’0mlar0n0nHaz0rlanmas0..........69
4.3.3 Polimer Anot PEDOT:PSS’nin ve Fotoaktif Tabakan0nÖrneklere
Kaplanmas0.........................................................................................................69
4.3.4 Katman 4: Metal Üst Elektrot Kaplanmas0...............................................70
viii
BÖLÜM BE(cid:16) -DENEYSEL SONUÇLAR............................................................75

5.1Fotoaktif Tabakas0 P3HT:PCBM Olan Güne’ Pilleri (cid:16)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 Tabakalar0nFotovoltaik 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 Elektrotlar0nFotovoltaik 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 Tabakalar0nve PEDOT:PSS Tiplerinin
Fotovoltaik Performansa Etkilerinin De1erlendirilmesi..............................122
5.2MDMO-PPV:PCBM Esasl0 Pillere Ait Sonuçlar...........................................123
ix