Güneş Pillerinde Verim Artırmak için Özel Buğu Engelleyici (Anti-Fog) Kaplamalar

11 Ağustos 2020

Polimerik malzemelerin her geçen gün hayatımızdaki yeri daha da artmaktadır. 20. yüzyıl başlarında bulunmasına karşın yüz yıl gibi kısa bir sürede neredeyse sonsuz sayıda polimer çeşidi ve uygulaması ortaya çıktı. Bu uygulamalar içinde polimerik kaplamalar da günümüzde boya endüstrisi ile uçak sanayisine, yapı sektörüne ve otomotiv sektörüne kadar birçok alanda kendini göstermektedir. Boya harici özel kaplamalar zaman içerisinde geliştirildi.

Polimerik kaplamalar zaman içerisinde sadece korozyon engelleyici bir kaplama olmaktan çıkıp “Fonksiyonel Malzeme” denilen çok özel etkiler gösteren malzemelerden birisi oldu ve kaplandığı yüzeyi çok fazla değiştirme imkânı olabilmektedir. Fonksiyonel malzemeler içerisinde çok farklı uygulamaların içerisinde buğu engelleyici kaplamalar çok farklı sektörler için kritiktir.

Polimerik malzemeler

Şekil 1

Güneş pilleri ülkemizde ve dünyada hızla büyümekte ve dünya için çok önemli bir enerji alanı olarak ortaya çıkmaktadır. Güneş pillerinin etkin şekilde çalışması da birçok etmene bağlıdır. Bunlardan birisi sanılanın aksine güneşin çok yoğun şekilde ve sıcak şekilde gelmesi değildir. Daha düşük sıcaklıklarda ve güneşin bulut içerisinden ışıma yapması güneş pilleri için daha etkili olduğu bilinmektedir [1]. Şekil 1’de fotoğraf çekilen yer İngiltere’dir ve güneş pilleri yağmurlu İngiltere’de aktif kullanılmaktadır. Bir diğer konu ise güneş pillerinin temizliği ve üzerinde oluşan buğulardır. Güneşin çok açık şekilde gelmediği durumlarda ve bulutlu ortamlarda buğu oluşumu da beraberinde gelmektedir. Buğu oluşumunun engellenmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Buğu oluşumunu engelleyici kaplamalar da çalışmamızın temelini oluşturmaktadır.

Yapılan çalışmalarda ise buğu oluşumu ışığın güneş pillerine etkin şekilde ulaşmasını engellediği belirlenmiştir. Aşağıda 3M firmasının uygulamakta olduğu buğu engelleyici kaplama ile ışığın yüzeyde nasıl etkili olacağı konusunda detaylı çalışma vardır.

Yüksek verimli güneş pilleri, gelen güneş ışığının yüksek oranda emilmesini gerektirir. Güneş pili plakalarına dayanan ticari mono ve çok kristalli Si hücrelerinde, emme tipik olarak birkaç mikrometrelik piramit şekillerle yüzey tekstüre edilerek rutin olarak iyileştirilir. Bu tekstüre, yansıtıcı olmayan bir silikon nitrür kaplaması ile hücredeki ışık saçılımını artırır. Bu yaklaşım, emici tabakanın kalınlığının 1-3 µm mertebesinde olduğu ve hatta daha az olabileceği ince filmli silikon güneş pilleri için pratik değildir. Bu hücrelerde, substrat veya güneş camı olarak kullanılan malzemenin yüzeyinin mühendislik ile emilimi artırılır. Kapak camı, silikon ince film (Si) modüllerinin yaklaşık %25’ini ve kristalin Si modüllerinin yaklaşık %10-15’ini oluşturur.

Bu nedenle, kapak camının iyileştirilmesi maliyetleri düşürmek için zorunlu hale gelir. Bu bağlamda, maliyetleri düşürmek için cam üzerinde etkili olmanın iki yolu vardır. Birincisi, cam imalatındaki maliyetlerin azaltılması ve ikincisi güneş ışığının camdan iletiminde artış sağlanması olacaktır; çünkü güneş geçirgenliğinde %5’lik bir artış, verimliliğinde %10’a kadar bir iyileşme ile sonuçlanabilir.

Normal kaplamalar tipik olarak SiO2, Si2 N3 veya MgF2 gözenekli filmlerdir, genellikle kendiliğinden temizleme yeteneği verecek ve bu nedenle bakım gerektirecek yüksek bir hidrofobikliğe sahip değillerdir. Kendi kendini temizleyen astarlar daha az bakım elde etmenin bir yoludur. Kendi kendini temizleyen yüzey teknolojisi ile ilgili iki düşük maliyetli ve ölçeklendirilebilir teknik vardır; sprey kaplama ve daldırmalı kaplamadır. Nano ölçekte yüzeyin pürüzlülüğünü değiştirerek, sisi önleyen hidrofilik yüzeyler oluşturmak veya kendi kendini temizleme etkisine sahip hidrofobik yüzeyler oluşturmak mümkündür [2,3].

Yüksek performanslı katı hal boya duyarlılaştırılmış güneş pilleri (solid state dye-sensitized solar cells, ssDSSC’ler) için tek aşamalı SiO2
nanoparçacık kaplama yoluyla buğu önleyici (Anti-fogging, AF) ve yansıma önleyici (Anti-reflection, AR) kaplama fonksiyonelleştirilmiş fotoanotlar üretmek için kolay bir yöntem sunmaktadırlar. Bu yöntemde AF ve AR kaplama işlevselleştirilmiş fotoanotlar, kısmen toplanmış SiO2 koloidal çözeltisinin döndürerek kaplanmasıyla hazırlanır. Serbest radikal polimerizasyonu ile hazırlanan poli ((1- (4-etenilfenil) metil) -3-butil-imidazolium iyodür) (PEBII), I2 içermeyen ssDSSC’lerde katı bir elektrolit olarak kullanılır.

Sisleme koşulları altında UV-görünür spektroskopi, olay foton-elektron dönüşüm verimliliği (IPCE) eğrilerini ölçerek AF ve AR kaplama fonksiyonelleştirilmiş fotoanota dayalı ssDSSC’lerin gelişmiş ışık hasat özellikleri sistematik olarak araştırılmaktadır. Geleneksel fotoanota dayalı ssDSSC’lerle karşılaştırıldığında, AF ve AR kaplama işlevselleştirilmiş fotoanjimler buğulanmayı büyük ölçüde bastırır ve yansımayı azaltır, özellikle de sisleme koşullarında önemli ölçüde geliştirilmiş ışık hasadına yol açmaktadır. AF ve AR kaplama fonksiyonelleştirilmiş fotoanotlardan yapılan ssDSSC’ler, buğulanma ve buğulanma koşulları altında sırasıyla %6 ve %5.9’luk geliştirilmiş bir fotovoltaik verim sergiler ve cihaz verimlerini en az 20 gün boyunca korur; bu, ssDSSC’lerin geleneksel fotoanodlar (sisleme ve sisleme koşullarında sırasıyla %4.7 ve %1.9). Tek adımlı SiO2 koloidal kaplama yoluyla AF ve AR işlevselleştirmesinin, çeşitli güneş enerjisi dönüşüm uygulamalarında hafif hasat özelliklerini geliştirmek için umut verici bir yöntemdir [3]

 

Buğu önleyici kaplamalar ile ilgili yapılan başka bir çalışmada ise süperhidrofiliklik, yüksek şeffaflık ve buğulanmaya karşı koruma özelliklerine sahip bir polimer-silika kaplama, başka bir kimyasal modifikasyon yapılmadan, düşük maliyetli tek aşamalı bir kap solgel yöntemi ile üretilmiştir. Şekil 2’de antifog kaplamanın etkisi görülmektedir [4]. Kompozit çözeltiler, birlikte serbest radikal ve sol-jel reaksiyonuna sahip bir adımbir pot ve iki adım-iki pot olmak üzere iki farklı üretim yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Bu yüzeylerin ıslanabilirliği ve buğulanmayı önleyici performansı silika parçacıklarının içeriğine bağlı olarak araştırılmıştır. Aynı zamanda, üretim tekniği değişikliklerinin, ağırlıkça %20 silika parçacık muhtevasına sahip olan bu yüzeylerin ıslanabilirlik ve buğulanmaya karşı özellikleri üzerindeki etkileri de incelenmiştir.

 

Şekil 2

Buğu önleyici kaplamalar ile ilgili yapılan başka bir çalışmada ise süperhidrofiliklik, yüksek şeffaflık ve buğulanmaya karşı koruma özelliklerine sahip bir polimer-silika kaplama, başka bir kimyasal modifikasyon yapılmadan, düşük maliyetli tek aşamalı bir kap solgel yöntemi ile üretilmiştir. Şekil 2’de antifog kaplamanın etkisi görülmektedir [4]. Kompozit çözeltiler, birlikte serbest radikal ve sol-jel reaksiyonuna sahip bir adımbir pot ve iki adım-iki pot olmak üzere iki farklı üretim yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Bu yüzeylerin ıslanabilirliği ve buğulanmayı önleyici performansı silika parçacıklarının içeriğine bağlı olarak araştırılmıştır. Aynı zamanda, üretim tekniği değişikliklerinin, ağırlıkça %20 silika parçacık muhtevasına sahip olan bu yüzeylerin ıslanabilirlik ve buğulanmaya karşı özellikleri üzerindeki etkileri de incelenmiştir.

Süperhidrofilik, şeffaf, buğulanmayı önleyici yüzeylerin çevre dostu bir kaplama tekniği kullanılarak hazırlandığı gösterilmiştir. 3M firmasının geliştirmiş olduğu kaplamanın mekanizması da Şekil 3’te belirtilmiştir. Bu, kendi kendini temizleyen araba camları, gözlükler, banyo aynaları ve en çok da dış mekân güneş pilleri gibi endüstriyel uygulamalar için uygundur [5].

Polimerik malzemeler üzerine araştırmalar yaptığımız grubumuz ile sektörün bu konudaki ihtiyaçları nedeniyle buğu önleyici kaplama çalışmaları ve çeşitli formülasyon denemeleri yapmaktayız. Özellikle de güneş pillerinin verimini %5 artırabilecek bu kaplamalar konusunda Teknopark’ta da yeni bir girişim başlatılmak üzeredir.

Referanslar
1. Hamdi, R.T.A., Hafad, S.A., Kazem, H.A., Chaichan, M.T., 2018. “Humidity impact on photovoltaic cells performance: A review”, International Journal of Recent Engineering Research and Development, Volume3-Issue11, 27-37. 2. Baquedo, E., Torne, L., Cano, P., Postigo, P.A., 2017. “Increased efficiency of solar cells protected by hydrophobic and hydrophilic anti-reflecting nanostructured glasses”, Nanomaterials, Volume7-Issue12, 437-448. 3. Park, J.T., Kim, J.H., Lee, D., 2014. “Excellent anti-fogging dye-sensitized solar cells based on superhydrophilic nanoparticle coatings”, Nanoscale, 6, 7362-7368. 4. Duran, I. R., Laroche G., 2019, “Water drop-surface interactions as the basis for the design of anti-fogging surfaces: Theory, practice, and applications trends”, Advances in Colloid and Interface Science, 263, 68-94. 5. Topçu Kaya, A.S., Cengiz, U., 2019. “Fabrication and application of superhydrophilic antifog surface by sol-gel method”, Progress in Organic Coatings, 126, 75-82.

 

Dr. M. Özgür Seydibeyoğlu
İzmir Kâtip Çelebi Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Nihan Özveren
İzmir Kâtip Çelebi Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği