Dünya genelinde enerji tüketimi, endüstriyel üretim yapan fabrikalar, ticari binalar ile evsel yaşam alanları ve hava-deniz-kara taşımacılığı olarak üç ana sektörde yoğunlaşmaktadır. Her türlü makina, cihaz ve taşıtın çalıştırılması, aydınlatma, ısıtma ve soğutma amacı ile dünyada tüketilen enerji miktarının 2020’de 185.000 TeraWattsaat olacağı hesaplanmaktadır. Küresel ekonominin 2040 yılına kadar %150 oranında büyümesi beklenmekte, buna bağlı olarak enerji tüketiminin 240.000 TWsaat’e çıkacağı tahmin edilmektedir (World Energy Outlook 2015).
Halen enerji gereksinimi %23 kömür, %24 doğal gaz ve %38 petrol olmak üzere fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Nükleer enerji üretimi %9 seviyesinde, yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerji %8 seviyesindedir (bkz. Şekil 1). Enerji üretiminde fosil yakıtların kullanımı, karbon dioksit (CO2) salımını arttırmakta, CO2’ in sera gazları arasındaki oranı her yıl artarak %25-30’lara ulaşmaktadır.
Küresel enerji pazarında, eğilim fosil yakıt tüketiminden kolay temin edilebilen, temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarına doğru değişmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları içinde en büyük pay hidroelektrik enerjiye en küçük pay güneş enerjisine aittir (bkz. Şekil 2). Başta güneş enerjisi olmak üzere yenilenebilir enerji kaynaklarını verimli olarak kullanabilen “temiz enerji teknolojilerinin” geliştirilmesi için büyük çabalar harcanmaktadır. Yeryüzüne her gün ulaşan güneş enerjisinin miktarı, dünyanın günlük enerji tüketiminin 10 bin katı kadardır. Güneş enerjisinin kullanılması ve depolanması için çok önemli bilimsel ve teknolojik keşifler yapılmış ve yapılmaktadır. Bütün güçlük yararlanılabilir güneş enerjisi oranını arttırırken maliyeti makul bir düzeyde tutabilmektedir. Halen güneş enerjisi farklı yöntem ve teknolojilerle hasat edilmektedir. Yüksek bir seviyede geliştirilmiş olan silikon esaslı anorganik yarı-iletkenlerden oluşan güneş pillerinin enerji üretim etkinliği %11-15 seviyelerindedir. Ancak fosil yakıtlardan enerji üretim maliyetinin 10 katı kadar olan yüksek üretim maliyeti, enerji veriminin düşüklüğü ve silikonun fiziksel rijitliği nedeni ile güneş pillerinin enerji üretiminde kullanımı sınırlı kalmaktadır.
Tablo 1. Güneş ışınlarının dalgaboyu dağılımı ve yüzdeleri
Naylon, PET, PVC gibi polimer malzemeler elektriksel iletkenlik özelliği taşımazlar. Elektriksel iletken polimerlerle ilgili ilk çalışmalar 1950’lerde başlamıştır. 1977, Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid ve Hideki Shirakawa iyot doplanmış poliasetilenin elektriksel iletken bir polimer olduğunu kanıtlamış, iletken polimerleri keşfetmeleri ve geliştirmeleri nedeni ile 2000 yılı Kimya Nobel Ödülü ile ödüllendirilmişlerdir. 1980’lerden itibaren elektriksel iletken polimerlerin fotovoltaik (FV) güneş pili üretimi için kullanımları ile ilgili pek çok keşif yapılmıştır.
FV polimer pillerin yapısında yer alan fotoaktif bölge güneş ışınlarını hasatlayan electron alıcı ve electron verici polimer tabakalardan oluşmaktadır. FV polimer piller, tıpkı silikon yarı-iletken pillerde olduğu gibi kırmızıötesi, görünür ve morötesi güneş ışığını doğru akıma (DC) dönüştürmektedir (bkz. Tablo 1., Şekil 3. ve Şekil 4.).
FV polimer bir güneş pili, silikon FV pile göre çok düşük bir maliyette olmasının yanı sıra, esneklik, hafiflik, şeffaflık, kolay şekil verilebilirlik gibi özelliklere sahiptir. Enerji üretim verimliliği bakımından da %8-15 seviyelerine ulaşmıştır. Plastik güneş pilleri endüstriyel olarak üretilmeye başlanmıştır. Örneğin Florida (A.B.D) eyaletinde restoran, plaj, kafe gibi dinlenme mekânlarında kullanılan şemsiyelerin üstüne dört metre genişliğinde FV polimer piller yerleştirilerek saatte 128 Watt enerji üretilmekte, konukların bilgisayar ve cep telefonlarının enerji depolama gereksinimi karşılanmaktadır (bkz. Şekil 5.).
FV polimer piller için pek çok uygulama alanı bulunmaktadır. Son uygulamalardan birisi California’da (A.B.D.) FV polimer pillerden yapılan otobüs durağı gölgeliğidir. Gündüz yolcular sıcaktan korunurken, hava karardığında durağın aydınlatılması FV polimer piller sayesinde mümkün olmaktadır. Diğer uygulamalar arasında gökdelenlerin ve diğer binaların dış cephe kaplamaları, binalardaki klimatizasyon sistemleri güneşten korunma amaçlı panjurlar ve perdeler, seralar, reklam panoları, şehir aydınlatması, dükkan vitrin ışıklandırması, elektrik üretebilen akıllı giysiler ve çeşitli çantalar yer almaktadır. Geliştirilen yeni teknolojiler, yakın gelecekte FV polimer pillerin enerji etkinliğinin arttırlıması, maliyetlerin düşürülmesini de mümkün kılacak gibi görünmektedir.
Prof. Dr. Nihal SARIER / İstanbul Kültür Üniversitesi, Mühendislik Fak. İnşaat Mühendisliği Böl. Öğretim Üyesi
Kaynaklar:
A.C. Mayer, S.R. Scully, B.E. Hardin, M.W. Rowell, M.D. McGehee, Polymer-based solar cells, Materials Today, 10, 11 (2007)
- Deibel and V. Dyakonov, Polymer–fullerene bulk heterojunction solar cells, Rep. Prog. Phys. 73 096401 (2010)
- J. Brabec, S. Gowrisanker, J. J. M. Halls, D. Laird, S. Jia, S. P. William, Polymer–Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cells, Adv. Mat. 22, 3839-3856 (2010)
- Ameri , G. Dennler , C. Lungenschmied and C. J. Brabec, Organic tandem solar cells : A review, Energy Environ. Sci., 2, 347-363 (2009)
World Energy Outlook 2015, http://www.worldenergyoutlook.org/weo2015/
