BOYA DUYARLI GÜNEŞ PİLLERİNDE FOSFOR TOZLARININ VERİME ETKİSİ

Summary

Dünya’da farklı sebeplerden dolayı enerji açığı ortaya çıkmıştır. Bu enerji açığının fosil yakıtlardan değil, güneş pillerinden karşılanması en uygundur. Boya duyarlı güneş pillerinde, güneş ışığı, üzerinde tutunan boya tarafından soğurulur. Gelen güneş ışığının soğurulması ile boya moleküllerinden kopan elektronlar TiO2‘in iletkenlik bandına geçerler. Bu elektronlar, kurulan düzenek sonunda TiO2‘in iletkenlik bandından dışarıdaki saydam elektroda geçerler. Buradan da dış devreye geçerler. Bir elektronunu kaybederek katyon haline gelen boya molekülleri, elektrolitteki redoks tepkimeleri sayesinde tekrar nötr hale gelir. Ancak bu kez de elektrolit yükseltgenmiştir. Elektrolit’te dış devreden gelen elektron ile indirgenir. Bu redoks tepkimelerinin sürekli hale gelmesi ile sürekli akım elde edilir.

Projemizde, verimi arttırmak için fosfor tozu kullanıldı. Fosfor tozunun,  Güneş’ten gelen ışının belli dalga boylarını bünyesinde absorbe edebilmesi sebebiyle karanlıkta bile ışıma yapabilme özelliğinden yararlanıldı. Absorbe edilen güneş ışınları hazırlanan boya duyarlı güneş pillerinde ışıma yaparak güneş pilinden daha fazla elektron kopmasını sağlayarak daha fazla elektrik enerjisi üretilmesi sağlanmıştır. Yaptığımız deneylerde kullanılan TiO2 miktarını sabit tutarak 1. Güneş pilinde fosfor tozu kullanılmadı ve açık devre gerilimi 640 mV, açık devre akımı 123 mA ölçüldü. 2. Güneş pilinde 0,2 g fosfor tozu kullanıldı ve açık devre gerilimi 660 mV, açık devre akımı 150 mA ölçüldü. 3. Güneş pilinde 0,5g fosfor tozu kullanıldı ve açık devre gerilimi 710 mV, açık devre akımı 154 mA ölçüldü.4. Güneş pilinde 0,7g fosfor tozu kullanıldı açık devre gerilimi 850 mV, açık devre akımı 160 mA ölçüldü.Hem açık devre geriliminin hem de açık devre akımının değişen fosfor miktarı ile artışı gözlemlendi.

 

Question / Proposal

Enerji açığı her zaman en önemli problemlerden biri olarak süregelmiştir. Bu problemin önemi günümüzde oldukça fazladır. Uzun yıllar boyunca enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılan fosil yakıtlar gittikçe azalmaktadır ve bu azalış bizleri yeni bir arayışa sürüklemiştir. Aynı zamanda fosil yakıtlar çevreye zarar vermektedir. Bu yüzden yenilenebilir enerji kaynakları ve bu alanda yapılan çalışmalar oldukça önemlidir. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında en yaygın görülen enerji kaynağı olan güneşi kullandığımız  güneş  pilleri de, çok kullanılan bir araçtır. Amacımız , güneş pillerinin bir çeşidi olan boya duyarlı güneş pillerinde fosfor tozlarıyla verimi arttırmak  ve yenilenemeyen enerji kaynaklarına duyulan ihtiyacı azaltmaktır.

Proje sorusu: Üretim yöntemi kolay ve maliyeti ucuz olan boya duyarlı güneş pillerinde fosfor tozunun kullanımı boya duyarlı güneş pillerinde verimi etkiler mi?

Hipotez: Boya duyarlı güneş pillerinde fosfor tozunun kullanımı verimi arttırır. 

 

Bu çalışmada yeşil renkli fosfor tozu kullanılmıştır. Eğer farklı renklerde fosfor tozları kullanılabilirse verimdeki artış daha fazla olabilir.

Projemizde iletken FTO karbon ile kaplanmıştır. Karbon ile kaplanmasının sebebi yapımının kolay olmasıdır. Eğer karbon yerine daha kaliteli indükleyici kullanılırsa verim artışı da olumlu yönden etkilenecektir.

Yapılan güneş pilinde boyar madde olarak kına kullanılmıştır. Kına hem doğal hem de ulaşılması kolay bir maddedir. Literatürde yaptığımız araştırmalara göre kimyasal maddelerle yapılan çok daha yüksek verime sahip boyar maddelerin olduğu gözlemlenmiştir.

 

Research

Seçilen alanda başkalarının çalışmaları üzerinde çalışmak, onların yazdıkları doğrultusunda fikir edinmek bu proje çalışması için oldukça faydalı olmuştur. Projenin konusunun şekillenmesinde, amacının oluşturulmasında, hipotezin oluşturulmasında, deneylerde kullanılan malzameler ve bu malzemelerin miktarları hususunda başkalarının yapmış olduğu çalışmalardan yararlanmak bu proje çalışmasında önemli bir örnek teşkil etmiştir.

Method / Testing and Redesign

İncelenilen makaleler ve tezler sonucunda deney aşamaları deneyler yapılmadan önce belirlenmiştir.

Elektrolit çözelti için 0.5 Molarite potasyum iyodür(KI) ve 0.05 Molarite iyot(I2) kullanıldı. Çözeltiyi hazırlarken öncelikle Molarite hesapları yapıldı. Molarite birim hacimde(litre) çözünen maddenin mol sayısı olarak tanımlanmaktadır. Molarite formülü ise M=n/L’dir. Hesaplamalar yapılırken bileşiklerin molar kütlesi ve çözeltinin hacmi kullanıldı. Çözeltide 0,83 gr KI, 0,06345 gr 𝐼2 her biri 10’ar ml 1-2-propanediol ile çözüldü. Ardından oluşturulan çözeltiler karıştırıldı. Bu şekilde sıvı elektrolit hazır hale gelmiş oldu.

Boya yapımında ise kına kullanıldı. Kına kullanılmasının sebebi ise literatürde yaptığımız araştırmalar sonucunda kınadan elde edilen verimin daha çok olmasıdır. Boyayı hazırlarken bir behere kına ve %20’lik propanol (su ile hazırlandı) katıldı. Bu maddelerle bir karışım hazırlandı. Oluşan karışımın heterojen olması dolayısıyla filtre kağıdında süzülüp homojen hale gelen kısmı deneyde kullanıldı.

Boya yapımında ise kına kullanıldı. Kına kullanılmasının sebebi ise literatürde yaptığımız araştırmalar sonucunda kınadan elde edilen verimin daha çok olmasıdır. Boyayı hazırlarken bir behere kına ve %20’lik propanol (su ile hazırlandı) katıldı. Bu maddelerle bir karışım hazırlandı. Oluşan karışımın heterojen olması dolayısıyla filtre kağıdında süzülüp homojen hale gelen kısmı deneyde kullanıldı.

FTO’ların iletken yüzeyleri avometre yardımı ile belirlenmiştir. Hazırlanan karışımlar iletken yüzeylere sürülecektir. Öncelikle iletken FTO’lardan bir tanesi alkol ve aseton ile temizlenerek hazırlanmış olan TiO2 sürülmek üzere bekletilmiştir. Diğer FTO ise karbon kaplaması yapılabilmesi için mum ışığına tutulmuştur.

Bu çalışmada ilk önce içerisindeki TiO2 miktarı sabit tutularak, her seferinde farklı  miktarlarda fosfor tozu içeren elektrotlar hazırlanmıştır. Daha sonra bu elektrotlar yaklaşık olarak 10 dakika boyunca bir ısıtıcı üzerinde ısıtılarak sertleştirilmiştir. İçerisinde farklı miktarlarda fosfor içeren hazırlanmış numuneler üzerine boyar madde olarak kullandığımız kına belirli oranlarda dökülmüştür. Üzerindeki boyar maddeyi 10 dakika boyunca emen elektrotların üzerine en son olarak yine belirli oranlarda sıvı elektrolit eklenmiştir. Daha sonra karbonla kaplı FTO’lar ile kapatılmış olan güneş pillerimiz, artık ölçüme hazır hale getirilmiştir.

Bu proje çalışmasında sabit tutulan değişken referans olarak alınan güneş pilleridir. Bağımsız değişken güneş pillerinde kullanılan fosfor tozu miktarlarıdır. Bağımlı değişken ise fosfor tozu kullanımına bağlı olarak değişen mikroamper ve milivolt oranlarıdır.

Deneyin doğruluğu, deneylerin birden fazla uygulanması ile aynı değerleri vermesi sonucunda sağlanmıştır. 

Deney, okul labarutavurı ortamında yapılmıştır. Proje çalışmasında kullanılan malzemeler: titanyum dioksit, potasyum iyodür, iyodür, 2-Propanol, saf su, fodfor tozu, kına, avometre, FTO iletken camlar, çeşitli beherler, manyetik karıştırıcı ve manyetik balık, hassas terazi.

Deney süresince, labaratuvar önlükleri ve eldiven kullanılmıştır ve kimyasal malzemelerin mümkün olduğunca zarar veremeyecek şekilde kullanımına özen gösterilmiştir.

Deneyler, yapılan araştırmalar ve gözlemler sonucunda belirlenen malzemeler ve deney aşamaları doğrultusunda yapılmıştır. Referans olarak alınan ve içerisinde fosfor tozu bulunmayan güneş pilinin mikroamper ve milivolt değerleri ölçülmüştür. İçerisinde farklı oranlarda fosfor tozu bulunan diğer güneş pillerinin oluşurduğu mikroamper ve milivolt değerlei referans olarak alınan güneş pili ile karşılaştırılmış ve içerisinde fosfor tozu bulunan boya duyarlı güneş pillerinin, içerisinde fosfor tozu olmayayn güneş pillerine göre daha verimli olduğu ispat edilmiştir.

Results

Projemizde, verimi arttırmak için fosfor tozu kullanıldı. Fosfor tozunun,  Güneş’ten gelen ışının belli dalga boylarını bünyesinde absorbe edebilmesi sebebiyle karanlıkta bile ışıma yapabilme özelliğinden yararlanıldı. Yaptığımız deneylerde kullanılan TiO2 miktarını sabit tutarak 1. Güneş pilinde fosfor tozu kullanılmadı ve açık devre gerilimi 640 mV, açık devre akımı 123 mA ölçüldü. 2. Güneş pilinde 0,2 g fosfor tozu kullanıldı ve açık devre gerilimi 660 mV, açık devre akımı 150 mA ölçüldü. 3. Güneş pilinde 0,5g fosfor tozu kullanıldı ve açık devre gerilimi 710 mV, açık devre akımı 154 mA ölçüldü.4. Güneş pilinde 0,7g fosfor tozu kullanıldı açık devre gerilimi 850 mV, açık devre akımı 160 mA ölçüldü.Hem açık devre geriliminin hem de açık devre akımının değişen fosfor miktarı ile artışı gözlemlendi.

Conclusion

Projemizde, verimi arttırmak için fosfor tozu kullanıldı. Fosfor tozunun,  Güneş’ten gelen ışının belli dalga boylarını bünyesinde absorbe edebilmesi sebebiyle karanlıkta bile ışıma yapabilme özelliğinden yararlanıldı. Yaptığımız deneylerde kullanılan TiO2 miktarını sabit tutarak 1. Güneş pilinde fosfor tozu kullanılmadı ve açık devre gerilimi 640 mV, açık devre akımı 123 mA ölçüldü. 2. Güneş pilinde 0,2 g fosfor tozu kullanıldı ve açık devre gerilimi 660 mV, açık devre akımı 150 mA ölçüldü. 3. Güneş pilinde 0,5g fosfor tozu kullanıldı ve açık devre gerilimi 710 mV, açık devre akımı 154 mA ölçüldü. 4. Güneş pilinde 0,7g fosfor tozu kullanıldı açık devre gerilimi 850 mV, açık devre akımı 160 mA ölçüldü. Hem açık devre geriliminin hem de açık devre akımının değişen fosfor miktarı ile artışı gözlemlendi. 

Bu proje çalışmasında boya duyarlı güneş pilleri üretiminde fosfor esaslı malzemelerin de kullanılabileceği ve böyle malzemelerin güneş pilinin verimini arttıracağı deneysel olarak gözlemlenmiştir.

Deneyler sonucunda fosfor tozunun kullanımına bağlı olarak boya duyarlı güneş pillerinin veriminin artacağı hipotezinin doğruluğu ispat edilmiştir.

Bu proje çalışmasında boya duyarlı güneş pilleri üretiminde fosfor esaslı malzemelerin de kullanılabileceği ve böyle malzemelerim güneş pilinin verimini arttıracağı deneysel olarak gözlemlenmiştir. 

Kullanılan fosfor tozu, güneşten gelen ışının belli dalga boylarını bünyesinde absorbe edebilmektedir. Bu sebeple karanlıkta bile ışıma yapabilmektedir. Bu çalışmada Fosfor tozlarının bu özelliğinden yararlanılmıştır. Absorbe edilen güneş ışınları hazırlanan boya duyarlı güneş pillerinde ışıma yaparak güneş pilinden daha fazla elektron kopmasını sağlayarak daha fazla elektrik enerjisi üretilmesi sağlanmıştır. Fosfor tozu kullanılmadan hazırlanan güneş pillerinde absorblanmayan dalga boylarının fosfor tozları sayesinde absorblanması ile güneş pillerinde açık devre gerilimi ve açık devre akımlarında bir artış olmuştur.

Sonucu sınırlandıran etkenler:

Güneş pili yapımında saydam cam olarak iletken FTO’lar kullanılmıştır. FTO’ların ışığı absorblama oranı oldukça yüksektir. Güneş ışınlarının FTO’lar tarafından absorblanması ise verimi olumsuz etkilemektedir. 

İndükleyici katman olarak karbon kullanılmıştır. Literatürdeki çalışmalara bakıldığında yük tutucu olarak kullanılması uygun değildir. 

Kullanılan fosfor tozunun renginin mor gibi yüksek enerjili renklerden biri olmayıp yeşil rengine sahip olması, sonucu sınırlandırmıştır.

 

 

About me

AYÇA ARSLAN:

16 yaşındayım. İstanbul'da yaşıyorum. Dört kişilik bir aileye sahibim. 

Keman çalmaktan, karakalem ile resim çizmekten, film izlemekten, bilimsel çalışmalar hakkında bilgi edinmekten, ailemle ve arkadaşlarımla vakit geçirmekten hoşlanırım.

Bilim, teknoloji, matematik gibi alanlarda olabildiğince araştırma yapmak; insanların donanım sahibi olmalarına olanak sağlar. Bu gibi ve daha fazlası alanlarda bilgi sahibi olmak; insanların mesleklerinde onlara yardımcı olur, karşılaştıkları herhangi bir soruna pratik çözümler bulabilme yeteneğine sahip olmalarını sağlar, herhangi bir durumda öngörülü olmayı ve bu durumları en güzel şekilde değerlendirebilmeyi sağlar.

Sephen Hawking, Marie Curie, Nikola Tesla, Albert Einstein, Aziz Sancar.

Gelecekte tıp okuyup dalında çok başarılı bir doktor olmak en büyük hayalimdir. 

Kazanmak gibi kaybetmek de olağan durumlardır. Bu yarışmada kazanmayı çok isterim. Kazandığım takdirde, başarılı olmak ve ülkem adına doğru adımlar atma düşüncesi beni çok mutlu eder. 

 

Nida Yılmaz :

17 yaşındayım. Lise son sınıf öğrencisiyim. İstanbul'da yaşıyorum.

Müzik dinlemekten, film izlemekten, kitap okumaktan, farklı yerleri gezip görmekten, arkadaşlarımla ve ailemle vakit geçirmekten hoşlanırım.

Bilim,teknoloji ve matematiğe olan ilgim küçüklükten beri vardı. 2 sene matematik ve 1 sene kimya olimpiyatı yaptım. Ortaokul ve lisede farklı projelerde yer aldım. Araştırmak benim için her zaman bir tutkuydu. O yüzden bu alanlara olan ilgim hayatımın ayrılmaz bir parçası.

En çok hayranlık duyduğum bilim insanları Marie Curie,Aziz Sancar,Elon Musk ve Albert Einstein.

Gelecekte tıp okuyup ardından genetik bilimine yönelmek istiyorum. Buluşlarımla tüm insanlığın hayatına dokunmayı çok istiyorum.

Kazanmak da kaybetmek de hayatın bir parçası fakat herkes gibi kazanmayı çok isterim. Verilen eğitim burslarıyla yurt dışında yüksek lisans yapmak isterim.

 

 

Health & Safety

Çalışmalar okul labaratuvarında, öğretmen eşliğinde, güvenlik ve sağlık kurallarına uygun bir şekilde yapılmıştır.

Eldiven ve önlük kullanımı deneyler süresince aksatılmamıştır.

Ahsen Er Taştan ile projemiz gerçekleştirilmiştir.

Telefon numarası:0505 656 1910

Bibliography, references, and acknowledgements

KAYNAKÇA

[ 1 ] :  Zafer, C. (2006). Organik Boya Esaslı Nanokristal Yapılı İnce Film Güneş Pili Üretimi (Doktora Tezi). Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir.

[ 2 ] :  Tekerek, S. (2009). TiO2 Tabanlı Doğal Boyar Maddeli Güneş Pili Yapımı (Yüksek Lisans Tezi). Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kahramanmaraş.

[ 3 ] : Kölemen, S. (2010). SynthesisAndCharacterization Of NovelSensitizersForDyeSensitized Solar Cells (Yüksek Lisans Tezi). İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi, Fen Bilimleri ve Mühendislik Enstitüsü, Ankara.

[ 4 ] : Seçkin, E. (2010). Titanyum Anodizasyonu Yöntemi İle Boyar Maddeli Güneş Pili Hücresi Üretilmesi ve Verim Karakterizasyonu (Yüksek Lisans Tezi). İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.

[ 5 ] : Karasu B. , Kısacık Y. , Kaya G. ,Uçar T. ,Toplutepe Ö. (2005). Sarımsı-Yeşil Renkli Fosforlu Pigmentlerin Üretiminde Süreç Parametrelerinin İyileştirilmesi. Anadolu Üniversitesi. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği. Eskişehir.

TEŞEKKÜRLER

Bu projeyi yapma hususunda  bizi teşvik eden ve asla yardımlarını esirgemeyen ve hatta her zaman bizimle yakından ilgilenen öğretmenlerimize; her koşulda bizi destekleyen moral ve motivasyonumuzu yükselten, bizi biz olduğumuz için seven ailemize; bize her türlü imkanı sağlayan, okul labaratuvarını ve ekipmanlarını kullanmamızı sağlayan okul müdürlerimize sonsuz teşekkürlerimizi sunuyoruz.