Güneş Enerjisinden Hidrojen Elde Etme Çalışmaları TOBB ETÜ'de

İnce film güneş pilleri maliyet/güç oranı dikkate alındığında klasik tip silisyum tabanlı güneş pillerine kıyasla büyük avantaj sahibi olduklarından hem akademik olarak hem de ticari boyutlarda yoğun bir şekilde çalışılan bir teknolojidir. Bu teknolojinin klasik tip silisyum tabanlı güneş pillerinden olan en büyük farkı, adından da anlaşılabileceği gibi daha ince olmasıdır. Silisyum güneş pillerinde 100 mikrometre kalınlıkta soğurulabilen birim güneş enerjisi ince film teknolojisinde 1 mikrometrede soğurulabilmektedir. Bir insan saç telinin kalınlığının yaklaşık 80 mikrometre olduğu düşünüldüğünde ince film güneş pilleri insan saç telinden 20 kat kadar daha ince bir yapıda olduğu söylenebilir. Bu durumun doğal bir sonucu olarak malzeme tüketimi ve üretim maliyetlerinde ciddi düşümler sağlanmaktadır.

İnce film teknolojisinin bir diğer avantajı da cam alt taşlar dışında polimer ve metal folyolar üzerine üretilebilmeleri, bu sayede binalara ve hareketli araçlara entegre edilerek kullanılabilmeleridir. TOBB ETÜ Enerji Araştırmaları Laboratuvarı’nda kalkopirit adı verilen bakır-indiyum-sülfür (CIS) tabanlı ince film güneş pilleri 2009 yılından bu yana yoğun bir şekilde çalışılmaktadır. Laboratuvarımızda klasik üretim yöntemlerine alternatif oluşturabilecek sprey kaplama metodu ile malzeme tüketimi 40 kata kadar düşürülmüştür. Kullandığımız yöntem ile elde etmek istediğimiz ince filmin elementlerini içeren başlangıç kimyasallarından hazırlanan belirli derişimlerdeki sulu çözeltiyi önceden ısıtılmış cam, metal, polimer veya seramik alt taşlar üzerine sprey yaparak kaplama yapabilmekteyiz. Dolayısıyla üretim maliyetlerini klasik güneş pilleri üretime kıyasla oldukça düşürmüş durumdayız.

Sprey sisteminde ultrasonik başlıklar kullanılmakta olup bu başlıklar insan kulağının duyabileceği seviyenin üzerinde yüksek frekanslı ses dalgaları üretirler. Bu sayede gönderilen çözelti mikron boyutlarındaki damlacıklara küçülür. Laboratuvarımızda, CIS tabanlı güneş pilleri yalnızca cam alt taşlarda değil polimer ve metal folyo üzerine de bükülebilir formda üretilebilmektedir. Sprey piroliz yöntemi ile bükülebilir alt taşlara fotovoltaiklerin üretimi ilk kez araştırma ekibimiz tarafından gerçekleştirilmiştir. Güneş pillerinin bükülebilir formda olması binalarda yapı elemanı olarak kullanılması, insansız hava taşıtları ve otomobillere entegre edilmesi, portatif enerji üreteçleri olarak kullanılması gibi sayısız uygulama alanının önünü açmaktadır.

Laboratuvarımızda ayrıca yapay fotosentez gerçekleştirmeye olanak sağlayan fotoelektrokimyasal güneş pilleri üzerinde çalışmalar yürütülmektedir. Bilindiği üzere bitkiler fotosentez ile güneş ışığını kimyasal enerjiye çevirebilme özelliğine sahiptir. Fotoelektrokimyasal güneş pilleri kullanılarak bitkilerin bu özelliği mimiklenebilir ve yapay fotosentez gerçekleştirilebilir. Bu piller, güneş enerjisinin kimyasal enerjiye çevrilmesini sağlayan sistemler olup bu sayede geceleri veya aydınlanmanın az olduğu zamanlarda elektrik ihtiyacının kesintisiz olarak karşılanmasına olanak tanırlar. Fotoelektrokimyasal güneş pilleri, fotaktif yarıiletken ve karşıt elektrodun su içerisine yerleştirilmesi ile basit bir şekilde oluşturularak, güneş ışığının yarıiletken elektrod üzerine gelmesi ile üretilen elektrik enerjisi suyun elektroliz olmasını ve böylece hidrojen ve oksijen gazlarının elde edilmesini sağlar. Hidrojen gazı yakıt pili gibi sistemlerde direkt kullanılabileceği gibi karbon dioksit ile birleştirilerek metanol veya organik hidritlerin elde edilmesi de mümkündür. Böylece güneş enerjisinden farklı alanlarda kullanılabilecek enerji kaynakları elde edildiği gibi karbon ayakizinin de azaltılması olası hale gelir. TOBB ETÜ Enerji Araştırmaları Laboratuvarı’nda yaptığımız çalışmalar ile fotoaktif elektrotlar üretilmektedir. Öncelikle nano yapılı çinko oksit filmler kimyasal banyo depolama yöntemi ile cam üzerine kaplandıktan sonra bu elektrotların performanslarını arttırmak için üzerlerine CIS ve/veya indiyum sülfür nano filmler sprey yöntemi ile kaplanmaktadır. Bu sayede yüksek verimli piller üretilebilmektedir.

Laboratuvarımızda çalışılan bir başka konu ise yakıt pilleridir. Yakıt pilleri yanma olmaksızın kullanılan yakıtın ve oksitleyicinin sahip olduğu kimyasal enerjiyi elektrokimyasal bir reaksiyon sonucu doğrudan elektrik enerjisine dönüştürürler.  Sisteme yakıt girişi sağlandığı sürece, elektrik üretmeye devam ederler. Yakıt pilleri arasında, düşük sıcaklıklarda (oda sıcaklığından 120 ºC ye kadar)  çalışan, hafif, küçük, tasarımı kolay ve ucuz olan proton geçirgen yakıt pilleri doğrudan ve portatif güç kaynağı olarak evlerde ve otomobil endüstrisi için büyük gelecek vaat etmektedir.  Proton geçirgen yakıt pilleri kullandığı yakıta göre ve dolayısı ile üreteceği güce göre doğrudan metil alkol yakıt pili ve hidrojen yakıt pili olarak ikiye ayrılabilir. Bunlardan daha az güç üreten ve tasarımı nispeten daha kolay olan doğrudan metil alkol ve daha fazla güç üreten ise hidrojen yakıt pillerdir.  Yakıt pillerinin en çok bilinen avantajları yüksek verim, düşük çalışma sıcaklığı, uzun ömür, sessiz çalışma, kolay dizayn ve boyut esnekliği, geniş uygulama alanı ve sıfır emisyon (hidrojen yakıt pilleri) olarak sıralanabilir.

Tipik bir hidrojen yakıt pilinin çalışması mekanizması üç ana basamakta özetlenebilir.  Bu basamaklar; hidrojen gazının anotta platin metali yardımı ile oksitlenip proton ve elektron üretmesi, üretilen protonların zar içerisinden katota iletilmesi, elektronların ise faydalı bir işte kullanılabilmesi için dış devreden geçirilmesi, havadan ya da doğrudan temin edilen oksijen gazının katotta proton ve elektron ile buluşup su üretmesidir. Daha büyük güç elde edebilmek için  (aynı zamanda üretilen voltajı arttırabilmek için) tekli hücreler yan yana seri olarak bağlanır ve bir yığın yakıt pili ünitesi oluşturulmuş olur.  Yakıt pili bileşenlerinin (1. Proton geçirgen zar (genellikle Nafion™);  2.Elektrotlar;  3.Yakıt ve oksidan difüzyon tabakaları (kumaş ya da kağıt); 4.İki yüzlü plaka (metal, ya da kompozit); 5.Akım Toplama plakaları (metal)  6.Sonlandırıcı Plakalar (metal yada kompozit)) en önemli parçası proton geçirgen zardır.  Nafion™ , Flemion™, Aciplex™ ve Dow™ en çok bilinen proton geçirgen zarlardır.  Bu zarlar arasında endüstriyel olarak en çok başarıya ulaşan, Dupont firmasının Nafion™ zarıdır. Dolayısıyla literatürde Nafion™  büyük yer tutar. Fakat Nafion ™ ve benzeri malzemelerin ciddi dezavantajları vardır. Bunlar arasında en önemlileri düşük nem ve yüksek ısılarda kötü proton iletkenliği, yüksek metil alkol geçirgenliği, yüksek su geçirgenliği, özellikle su tuttuktan sonra camsı geçiş sıcaklığında büyük değişikler gözlenmesidir. Ayrıca Nafion™ zarları oldukça pahalıdır. Laboratuvarımızda Nafion™ ve diğer ticari zarlara alternatif oluşturacak proton iletken zarlar üretilmektedir. Bu zarlar rakiplerine göre hem daha yüksek performanslı olup hem de daha maliyet etkindir. Laboratuvarımızda ayrıca yakıt pilleri için akış kanalları dizayn edilerek yakıt pili prototipleri üretilmektedir. Bu piller otomobillerde, bisikletlerde, golf arabalarında, kesintisiz güç kaynaklarında, uçaklarda, su altı araçlarında, portatif aletlerde ve  benzeri alanlarda kullanılmaya uygundur.