Development Of Organic Based Photovoltaic Fiber

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012Son yıllarda, küresel ısınma ve kirlilik, enerji elde etmek için fosil madde esaslı yakıtların ağırlıklı olarak kullanılmasının da etkisiyle, dünyadaki yaşamsal faaliyetleri tehdit edecek bir boyuta ulaşmıştır. Bu nedenle günümüzde, günlük hayatta ve sanayide kullanılması zorunlu elektrik enerjisinin, çevreye en az zarar verecek biçimde üretimi, iletimi ve tüketiminin gerçekleştirilmesi konusu çözülmesi gereken en önemli sorunlardan biri haline gelmiştir. Yenilenebilir ve temiz enerji teknolojileri arasında belki de en fazla dikkat çekenlerden bir tanesi, sınırsız güneş enerjisini kullanarak elektrik enerjisi üretilmesini sağlayan fotovoltaik teknolojisidir. Dünya genelinde, son yıllarda tekstil sektörü yapısının hızla değişmesi ile Türkiye de diğer Avrupa ülkeleri gibi katma değeri yüksek, daha özel ve kaliteli tekstil ürünlerinin üretimine yönelmiştir. Gerekli araştırma-geliştirme çalışmalarının yürütülmesi konusunda hem üniversiteler hem de özel sektördeki firmalar ilk adımları atmıştır, atmaya da devam etmektedir. Çeşitli akıllı malzemelerin tekstillerle birlikte kullanılması ile farklı özelliklere ve kullanım alanlarına sahip fonksiyonel tekstil malzemeleri elde edilmeye ve kullanılmaya başlanmıştır. Enerji üreten veya dönüştüren, kendi kendini temizleyen, belirli ortam koşullarında faz, şekil ve renk değiştiren, iletken ve benzeri özellikteki akıllı malzemeler kullanılarak üretilen tekstil ürünleri günümüzün vazgeçilmezleri arasına girmeye başlamıştır. Fotovoltaik teknolojisi ağırlıklı olarak silikon esaslı pahalı malzemeleri kullansa da günümüzde daha ucuz yöntem ve malzemeleri kullanan güneş pilleri de (örn. Organik madde esaslı güneş pilleri) üretilmeye başlanmıştır. Organik güneş pilleri, silikon esaslılara göre hafiflik, ucuz malzeme ve daha kolay yöntemleri kullanma, düşük sıcaklıklarda çalışabilme, esneklik, çok küçük ve ya çok büyük yüzeylere uygulanabilirlik gibi çeşitli avantajlara sahiptir. Organik güneş pillerinin verimleri şuan silikon esaslılara göre düşük olmasına rağmen, taşıdığı özellikler nedeniyle tekstil yapılarına çok uygundur. Bu çalışmada fotovoltaik etki sağlanması için güneş enerjisini kullanarak elektrik enerjisi üretebilecek bir tekstil lifi elde edilmesini amaçlamaktadır. Üretilecek fotovoltaik lif, ileride kendi elektriğini üreten akıllı tekstillerin (giysiler ve çadırlar gibi) imalatında kullanılabilecektir. Bu çalışma kapsamında, çeşitli kimyasal maddeler ve yöntemler kullanılarak polyester tekstil lifi üzerinde, fotovoltaik etki geliştirilecektir. Silikon esaslı güneş pillerine göre nispeten kolay yöntem ve daha ucuz malzemelerle geliştirilecek olan fotovoltaik lifler ile ileride iplikler ve kumaşlar üretilebilecektir ya da fotovoltaik lifler kumaş ya da giysiler içerisine entegre edilebilecektir. Böylece, elektrik kaynağından uzak yerlerde spor yapmak için veya görevleri nedeniyle bulunmak durumunda kalan insanlar elektrikli cihazları için gerekli enerjiyi kendileri, fotovoltaik tekstillerle elde edebileceklerdir. Çalışmanın temel amacı, tekstil lifi üzerinde seçilmiş farklı malzemeler kullanılarak fotovoltaik etkinin sağlanması ve ölçülmesidir. Diğer amaç ise genel kullanım alanına uygun bir koruyucu bir tabakanın fotovoltaik lif yapısını bozmadan yapıya eklenmesidir. Güneş, insanlar ve doğadaki diğer canlılar tarafından farklı amaçlar için kullanılan, enerji üretimi için kullanıldığında çevreye zarar vermeyen ve tükenmeyen bir enerji kaynağıdır. Güneş pilleri ise, güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren yapılardır. Güneş enerjisinin her yerde bulunabilir, pratik, temiz ve çevre dostu olması nedeniyle, dünyada, güneş pillerine olan talep gün geçtikçe artmaktadır. Fotovoltaik malzemelerin tekstillerle çeşitli yöntemler kullanılarak kombine edilmesi son yıllarda tüm dünyadaki araştırmacıların ilgilendikleri bir konu olmuştur. Günümüzde, ağırlıklı olarak silikon esaslı güneş pillerinin tekstillere entegre edilerek kullanıldığı fotovoltaik tekstil yapıları gibi güneş ışığını kullanarak elektrik enerjisi üreten ticari ürünler mevcuttur. Fotovoltaik enerji, temiz (enerji üretimi sırasında veya sonrasında, çevreye zehirli kimyasal maddeler vermeyen), güvenilir ve pratik bir enerji teknolojisidir. Fotovoltaik tekstiller, günlük hayatın yanında özellikle elektrik kaynaklarından uzak yerlerde çalışmak durumunda olan (askerler gibi) ya da spor faliyetleri yapmak isteyen insanların, yanlarındaki cihazlar için gerekli elektrik enerjisi ihityacını karşılayarak, hayatımızdaki önemli bir boşluğu dolduracaklardır. Fotovoltaik tekstiller küresel tekstil endüstrisinde önemli bir konuma gelmeye başlamıştır ve dünya genelinde gelişen teknoloji ile birlikte talep de artmaktadır. Eşsiz bir ürün olarak yüksek katma değere ve ileri fonksiyonlara sahip olması, tekstil endüstrisinin gelişmesi için gelecek vaat etmektedir. Ayrıca böyle bir ürünün Türkiye’de üretilmesi ve geliştirilmesi, ülkemizin diğer dünya ülkeleri arasında rekabet edebilirliğini arttıracaktır. Bu tez kapsamında üretilen esnek fotovoltaik lifler, ileride fotovoltaik tekstil üretiminde kullanıldığında esnek, hafif, kolay taşınabilir, rulo yapılabilir veya katlanabilir, fotovoltaik ürünler elde edilebilecektir. Bu tez çalışmasında organik güneş pili malzemeleri kullanılarak fotovoltaik bir tekstil lifi geliştirilmesi amaçlanmıştır. Literatürdeki mevcut çalışmalar göz önüne alındığında, bu konuda yapılan çalışmalarda tekstil liflerinin kullanılmadığı görülmektedir. Türkiye’de tamamlanan doktora tezinde, (Bedeloğlu, 2009) ilk defa organik fotovoltaik malzemeler kullanılarak fotovoltaik tekstil lif ve şeritleri geliştirilmiştir. Bu çalışmada ise daha önceki deneyimler de göz önünde tutularak farklı kimyasal maddeler ve tekstil lifleri ile denemeler yapılmıştır. Üretilen fotovoltaik lif hem tekstil lifinin esneklik, hafiflik, incelik gibi özelliklerini taşıyan hem de güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir güneş pili yapısındadır. Fotovoltaik lif herhangi bir tekstil malzemesinin (iplik ve kumaş gibi) üretilmesinde veya sonradan yapının içine katılması şeklinde kullanılabilir. Dünya genelinde fotovoltaik lifler konusunda yapılmış çok sınırlı sayıda çalışma ve yeni başlayan çalışmalar/projeler mevcuttur. Organik güneş pili malzemeleri kullarak gerçekleştirilen çalışmalarda taşıyıcı tabaka olarak metal tel, optik lif, polyimid kaplı optik lif, polipropilen şeritler ve polipropilen lif kullanılmıştır. Optik lifler, tekstil yapısına çok uyumlu değildir. Metal tel ise tekstil lifine göre daha ağır ve daha az esnektir. Üretimden rastgele alınmış polipropilen yapılar ise pürüzlülüğü ve ıslanma davranışları nedeniyle metal ve çözelti kaplanması sırasında bazı problemler çıkartmıştır. Ayrıca tüm mevcut çalışmalarda, verimin düşük olması söz konusudur. Fotovoltaik bir lifin elde edilmesi konusu, hem Türkiye hem de dünya için yeni ve ilginç bir konudur. Üretim yöntemi olarak, önceki çalışmaların çoğunda standart bir güneş pilinin üretim aşamalarına benzer yöntemler kullanılarak lif elde edilmeye çalışılmıştır. Bu çalışmada ise kullanılan malzemeler (akıllı malzemelerin ve koruyucu tabakanın seçilmesi) açısından farklılıklar bulunmaktadır. Bu tez çalışması ile fotovoltaik lif konusunda akademi ve sanayi bir araya gelerek ilk adımı atmıştır. Türkiye’de bu konuda Ağustos 2009 yılında tamamlanan “Photovoltaik etki gösteren bir lif geliştirilmesi” isimli doktora tezi mevcuttur; ancak araştırmacılar tarafından alınmış bir patent henüz bulunmamaktadır. Öte yandan bu tez çalışması ile yapılmış özgün çalışma sonucunda patent başvurusu yapılmıştır.The aim of this study is to present a textile fibre which will produce electricity by photovoltaic effect. In the future, photovoltaic fibre produced, will be used to manufacture textile products (clothings, tents, etc.) which will produce electricity itself. In the study, by using various chemical materials and methods, photovoltaic effect is developed on polyester filaments. The photovoltaic fibres, which are produced using easier techniques and materials compared to silicon based solar cells, can be used to produce yarns and fabrics. The photovoltaic fibres can be also integrated into fabrics or clothes. Renewable energy technologies including solar cells attract considerable attention due to the inevitable end of fossil fuels and due to global warming and other environmental problems they caused, in recent years. Ongoing efforts focus on for reducing the fabrication cost of solar cells and for improving the efficiencies of existing devices. In this respect, an organic solar cell using organic semiconductors which are cheaper than inorganic semiconductors and can be synthesized with easier processes is a promising approach owing to its unique features including low-cost, flexibility and lightness for solar energy conversion. Additionally, their chemical and physical properties can be changed or tuned easier. People who are working, living or being apart from the electrical grids, will be able to produce electricity by using these photovoltaic fibres/textile structures for the electricity requirements of small electrical devices. Preliminary studies on developing a fibre showing photovoltaic effect were done previously. In this work, by changing and improving existing photovoltaic fibre structures with new materials and techniques, an advanced photovoltaic fibre structure is developed. The existing methods which are used to produce conventional glass-based solar cells will be modified and applied to produce fibre based solar cell. In this work, the first aim is to get a photovoltaic effect on a textile fibre/filament. Organic materials which have many advantages such as being lightweight, low-cost and graded transparency are used in this study. Serial production issue will be also discussed for mass production, after repeatable manufacturing and test procedures are developed and efficient results are taken. This study will present results about developing and measuring photovoltaic effect on textile structures by using different specific materials and techniques. Photovoltaic fibres will be very useful in both industrial and daily life, due to the fact that they only use abundant and limitless sunlight. Produced photovoltaic fibres/filaments can be used to form larger textile structures by weaving or knitting techniques or integrating into a fabric. In this thesis, organic based solar cell materials were applied onto textile fibres. Photovoltaic performances of produced flexible devices were measured and compared to conventional solar cells consist of glass and plastic substrates. PET tapes and PET monofilament are employed as textile based materials, as bottom electrode polymer based matieral (PEDOT:PSS) and metal layers (Al, Au, Ag), P3HT:PCBM and MDMO-PPV:PCBM blends were used as photoactive layer, different metal oxides and polymers (ZnO-NPs and PEO) were used as a buffer layer between bottom electrode and photoactive layer, several metal layers (Al, Ag, Au) were employed as semi-transparent top electrode. Counter to standard solar cells, semi-transparent cathodes as top electrode and luminous light comes from top electrode side. Therefore, 0,3 % efficiency for fiber based and 0,03% efficiency for reference cells were obtained, as polymeric anode and in some experiments, PEDOT:PSS layer were used to instead of ITO. Results obtained from measurement of all solar cells were evaluated by drawing graphs. In order to understand surface structure, scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscobe (AFM) was used. Photovoltaic textile fibers producing electricity by using solar energy, can meet the power requirements of portable electronic devices such as ipod, mp3 player etc. After development of these devices, all power demand for various applications such as heating, cooling, lighting, communicating etc. can be met.Yüksek LisansM.Sc