Theses supervised by Prof. Dr. Nurdan Demirci Sankır
12 theses · TOBB Economics and Technology University
Sprey piroliz yöntemiyle Cu(In,Ga)(S,Se)2 ince film foto elektrokimyasal güneş hücrelerinin geliştirilmesi
Küresel düzeyde artan enerji ihtiyacının yanı sıra, fosil yakıtlara dayanan geleneksel enerji kaynaklarının sınırlı olmasından dolayı, fotoelektrokimyasal güneş pillerinden elde edilen hidrojen enerjisinin umut verici düzeyde olduğu kabul edilmektedir. Bu umut vaat eden enerji alanında özellikle bir çok avantajı bulunan Cu(In,Ga)(S,Se)2 ince filmlerinin en ekonomik üretim yöntemlerinden biri olan sprey piroliz yöntemi ile geliştirilmesi üzerine çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, ilk bölümde yenilenebilir enerji ve fotoelektrokimyasal güneş pilleri hakkında genel bir bilgi verildikten sonra ikinci bölümde farklı stokiyometrilerde ince filmlerin hazırlanması ve yapıların çeşitli karakterizasyonlar sonucu optimum stokiyometrideki Cu(In,Ga)(S,Se)2 bileşiğinin bulunması amaçlanmıştır. Üçüncü bölümde ise elde edilen Cu(In,Ga)(S,Se)2 katmanı üzerine In2S3 tabakası çıkılarak çok katmanlı eklem yapısı oluşturulmuş ve performans ölçümleri incelenmiştir. Dördüncü bölümde ise çeşitli şekillerde fotoelektrokimyasal güneş pili konfigürasyonları değiştirilerek performans ölçümleri karşılaştırılmıştır. Daha sonra Cu(In,Ga)S2 yapısının ön çözelti kaynağı değiştirilerek ve katkılama yapılarak performansın arttırılması amaçlanmıştır. Bölüm 6'da konfigürasyonu tamamlayacak ve sprey piroliz yöntemi ile uygulanabilecek bir elektron taşıyıcı tabaka oluşturabilmek amacıyla çeşitli bileşimlerde ZnO ince film denemeleri yapılmıştır. Son olarak ise kimyasal banyo yöntemi ile üretilen üç boyutlu çinko oksit yapısı üzerine sprey piroliz yöntemi ile Sn-ZnO (TZO) nano kompozit katmanı meydana getirilmiş ve bu yapı üzerine daha önceki bölümlerde karar verdiğimiz en yüksek verime sahip Cu(In,Ga)S2 ve In2S3 konfigürasyonu yine sprey piroliz yöntemi ile uygulanmıştır. Sonuç olarak, yapılan performans analizleri (% IPCE ve ABPE) elde edilen ince filmin % 47.2 kuantum verimi ve % 4.17 foto çevrim verimlerine sahip olduklarını göstermektedir. Bunun yanısıra elde edilen performans sonuçlarının ince filmlerin optik ve morfolojik özellikleri ile ilişkisini incelemek için birçok karakterizasyon yöntemine başvurulmuştur.
Application of efficient photoelectrodes prepared by chalcogenide nanoparticle and cesium lead bromide perovskite sensitized 3D-ZNO nanostructure in photoelectrochemical solar cells
In this thesis, nanostructured zinc oxide (ZnO) layer with flower and urchin-like 3D morphologies have been deposited on fluorine-doped tin oxide (FTO) coated glass using chemical bath deposition (CBD) method. Then a thin layer of nanostructured cadmium sulfide (CdS) and selenide (CdSe) have been deposited on 3D ZnO with the same method. Additionally, a lead bromide perovskite (CsPbBr3) layer structure has been fabricated on the ZnO layer via spin coating method with the aim of the utilization of these material in to photoelectrochemical water splitting device as photo anode. Moreover, to modify the cadmium selenide layers, two ZnO/CdSe and ZnO/CdS/CdSe structures have been treated by thermal annealing at 200o C for 2 hours. As a result, the crystalline structure of the photoanodes was modified significantly. The structures also were analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), x-ray diffraction patters (XRD), Uv-vis and photoluminescence (PL) spectroscopies, finally the morphologies and compositions were analyzed with scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), and energy dispersive X-ray (EDX). The substrates were proven by the mentioned analysis and compared with other works in literature. Then the synthesized structures were used as photoanode in the photoelectrochemical solar cell water splitting system. The aim of the system was the production of hydrogen from splitting water molecules using sunlight. The incident photon-to-charge carrier efficiency (IPCE) efficiency of the bare ZnO and ZnO-CdS-CdSe electrodes have been calculated as 12% and %51, respectively. Moreover, the maximum IPCE of the ZnO-CsPbBr3 photoelectrode was approximately 37%. These data indicated that the heterojunction based electrodes prepared in this study are very promising in order to utilize them into solar water splitting systems.
Esnek çinko oksit-perovskit temelli fotodedektör üretimi ve karakteristik özelliklerinin analizi
Bu tez kapsamında, Mn katkılı ve katkısız ZnO-NÇ ile kararlı yapıda kurşunlu ve kurşunsuz inorganik halojenür perovskit tabanlı yarıiletkenlerin esnek alttaşlar üzerine depolanmasıyla katı-hal MSM fotodedektör ve yarı-katı olmak üzere kendinden güç üreten fotodedektör aygıtlar üretilmiştir. İlk olarak poliimit (PI) alttaş üzerine farklı molar konsantrasyonlarda (16,5 mM ve 3,5 mM) büyütülen ZnO-NÇ içerisine, molar hacimce %5 ve %9 olmak üzere Mn katkılanarak elde edilen ince filmlerin malzeme karakterizasyonları (XRD, PL, SEM ve UV-vis) incelenmiştir. Metal kontak olarak tasarlanmış interdijital Pt kontak ile belirlenen desenlerle kaplandıktan sonra ise fotodedektör aygıt olarak performasları incelenmiştir. Yapısal karakterizasyonlar sonucunda Mn atomlarının ZnO kristal kafes yapısına dahil olup performansı arttırdığı tespit edilmiştir. Fotodedektörlerin temel parametrelerin tespiti için, %5Mn:ZnO-NÇ3,5 fotodedektörün elektriksel ölçümlerinin alınmasıyla önemli performans parametreleri olan D*, R, S%, EQE(%), 15 V gerilim ve 367 nm dalga boyu ışık altında sırasıyla 6,38x1012, 10,768 A/W, 3x104 ve %3.645 olarak hesaplanmıştır. %5Mn:ZnO-NÇ3,5 fotodedektörün UV (367 nm/2,42 mW/cm2) ışık altında, yükselme zamanı (τr) ve alçalma zamanı (τd) değerleri sırasıyla 32,2 s ve 41,9 s olarak bulunmuştur. Beyaz ışık altında (840 mW/cm2) ise τr ve τd 0,3 s olarak hesaplanmıştır. Bu örneğe 9.500 defa içbükey, dış bükey bükme sonucunda, sağlamlık ve kararlılık sergilemiştir. %9Mn:ZnO-NÇ16,5 fotodedektörün D* değeri; 1,85x1014, R değeri; 159,467 A/W, S% değeri; 1,6x106 ve EQE(%) değeri; 54 olarak hesaplanmıştır. %9Mn:ZnO-NÇ16,5 fotodedektörün UV (367 nm) ışık altında, τr ve τd değerleri sırasıyla 21,1 s ve 57 s bulunmuştur. Beyaz ışık altında (840 mW/cm2) ise yük τr 0,91 s ve τd 4,19 s olarak hesaplanmıştır. Bu örneğe 10.000 defa içbükey, dış bükey bükme sonucunda, sağlamlık ve dayanıklılık göstermiştir. Esnek kendinden güç üreten yarı-katı-fotoelektrokimyasal (PEC) fotodedektör için İTOPET alttaş kullanılmıştır. İTOPET üzerine büyütülen Mn katkılı ZnO-NÇ inorganik halojenür perovskit olan CsPbBr3 tipi perovskit ile kaplanmış ve karbon kağıt ve İTOPET alttaşın karşıt elektrot olarak kullanılmasıyla sandviç formda birleştirilerek fotodedektör aygıt elde edilmiştir. İTOPET üzerine sentezlenen Mn katkılı ZnO-NÇ ve CsPbBr3 ilavesi ile elde edilen ince filmlerin UV-vis, SEM, XRD, EIS elementel haritalama ölçümleri alınmıştır. İTOPET/%5Mn:ZnO-NÇ/CsPbBr3 ince filmin 17 hafta UV-vis ölçümü alınmış, 538 nm dalga boyunda %7'lik küçük azalma olmuştur. %5Mn:ZnO-NÇ üzerine CsPbBr3 eklenmesi ile fotodedektör veriminde kayda değer artış gözlenmiştir. İTOPET/%5Mn:ZnO-NÇ/CsPbBr3 fotodedektörün, 400 nm (2,99 mW/cm2) dalga boyu ışık altında ve 0 volt D* değeri; 2,83x1012, R değeri; 95,12 mA/W, S% değeri; 8,04x106 ve harici kuantum verimi (EQE%); 29,55 olarak hesaplanmıştır. İTOPET/%5Mn:ZnO-NÇ/CsPbBr3 fotodedektörün UV (400 nm) ışık altında, yükselme zamanı ve alçalma zamanı değerleri, 10,62 ms ve 42,9 ms bulunmuştur. Bu fotodedektöre AM1,5 (100 mW/cm2) ışık altında 125 defa açma kapama ve 400 nm ışık altında 53 defa açma-kapama uygulanarak akım zaman ölçümleri alınmış ve kararlılık göstermiştir. Ayrıca farklı açılarda (35o, 45o ve 60o) 400 nm dalga boyu ışık altında 27 defa açma-kapama uygulanarak akım-zaman ölçümleri alınmıştır. AM1,5 ışk altında yükselme zamanı 13,33 ms ve alçalma zamanı 50,91 ms bulunmuştur. Ayrıca bu dedektörün 12 hafta sonunda yapılan akım-zaman ölçümünde hala fotodedektör özelliği sergilediği görülmüştür. Yarı-katı esnek kendinden güç üreten fotodedektör bir de çift katmanlı perovskit (Cs2AgBiBr6) kullanılarak üretilmiştir. ZnO-NÇ3K ve ZnO-NÇ3K Cs2AgBiBr6 ince filmlerin SEM analizi ve Cs2AgBiBr6 kristalin XRD ölçümü alınmıştır. İTOPET/ZnO-NÇ3K/Cs2AgBiBr6 fotodedektörün 0 V gerilim ve 382 nm dalga boyu ışık altında, yükselme zamanı 16,6 ms ve alçalma zamanı 8,76 ms bulunmuştur. Ayrıca farklı açılarda (35o, 45o ve 60o) 382 nm dalga boyu ışık altında 50 defa ışığı kapatıp açarak akım-zaman ölçümleri alınmıştır. Anahtar Kelimeler: Fotodedektör, Esnek, Poliimit, İTOPET, ZnO, Perovskit
Fotodedektör uygulamaları için maskesiz lazer litografi ile desenlenen çinko oksit heteroeklemlerin geliştirilmesi
Sunulan tez çalışması, nanoyapılı heteroeklemlere odaklanarak foto algılamada yüksek hassasiyetli ve performanslı, çevre dostu ve farklı sistemlere uyarlanabilen çok işlevli minimal cihaz tasarım yaklaşımları ile fotodedektör (FD) uygulamalarının vizyonunu geliştirmeye dayanmaktadır. Yüksek FD performansı için seçilen malzemelerin yanı sıra nanomalzemelerin yüzey alanının genişletilmesi de önemlidir. Desenli nanoyapıların düzenli dizilimi sağlanarak desensizlere kıyasla ışık soğurması ve yük transferi performanslarının arttırılması yenilikçi FD üretiminde ilgi çeken bir yaklaşımdır. Bu yaklaşımla, tez çalışması temel olarak desen tasarımına göre ikiye ayrılmıştır. Başka bir deyişle, maskesiz lazer litografi ile oluşturulan daire ve örgü desenlerinde dikey olarak mükemmel hizalanmış çinko oksit (ZnO) nanoçubuk diziler (NÇD'ler) büyütülmüştür. Öncelikle sıvı-hal sistemler için farklı çaplara (D=20 µm, 2D=40 µm, 4D=80 µm) ve daireler arası farklı mesafelere (L=20 µm, L/2=10 µm) sahip desenlerde ZnO NÇD'leri üretilmiştir. Desen geometrisinin etkileri ve görünür bölgede ışık soğurucu özelliklerin iyileştirilmesi için indiyum sülfür (In2S3) ile oluşturulan heteroeklemlerin performansları fotoelektrokimyasal (FEK) FD'lerde incelenmiştir. Desensiz ZnO NÇD'leri In2S3 ile kaplanmasına rağmen D-L desenlilere kıyasla daha düşük fotoakımla sonuçlanmıştır. D-L tasarımlıda ise 20 paso (20P) sayılı In2S3'ün sprey pirolizinden sonra akım yoğunluğunun %224 arttığı görülmüştür. Dairelerin çapı D şeklinde düzenlendiğinde ve daireler arasındaki mesafe azaltıldığında (L/2), ZnO NÇD/In2S3-20P tasarımının fotoanot/elektrolit arayüzünde en yüksek yük transferini sağlayarak en iyi performansı göstermiştir. Daha sonra bu tasarım iyonik jel elektroliti kullanarak yarı-katı-hal sistemler için taşınabilir FEK FD şeklinde de üretilerek 367 nm-535 nm dalga boyu aralığında 400 nm'de en yüksek performansı göstermiştir. Çalışmanın örgü desenli tasarımlarında çizgilerin merkezleri arasındaki mesafenin (L) FEK FD performansı üzerindeki etkileri sıvı-hal sistemlerde incelenmiştir. ZnO NÇD/In2S3-20P heteroekleminde örgü desenli FEK FD cihazı (L=20 µm) daire desenliye (D-L/2) kıyasla daha yüksek performans sergilediği görülmüştür. Son olarak tez çalışmasında, örgü desenli ZnO NÇD ve anorganik halojenür perovskit (AHP) heteroeklemleri geliştirilmiştir. AHP olarak kurşun bazlı CsPbBr3-Cs2PbBr5 çift fazlı ve kurşunsuz Cs2AgBiBr6 çift perovskit kullanılmıştır. Jel elektrolitli yarı-katı-hal sistemler için performans sonuçlarına göre kurşunsuz halojenür perovskit, kurşunlu için alternatif bir malzeme olduğu sonucu çıkarılmıştır. Özellikle açık devre potansiyeli (VOC) karşılaştırıldığında kurşunsuz FEK FD'nin, kurşunluya göre yaklaşık 5 kat daha yüksek olduğu ve görünür bölgede daha yüksek dalga boyundaki ışığa tepki verdiği saptanmıştır. Ayrıca tepki süreleri, In2S3 kaplamalı FEK FD'ye göre çok daha hızlı olduğu doğrulanmıştır. Katı-hal sistemlerde örgü desenli ZnO NÇD üzerine Cs2AgBiBr6 kaplanarak, maksimum fotoakım değerinin, +5 V ve AM 1,5 aydınlatma altında, sadece ZnO NÇD'lerine kıyasla yaklaşık 13,65 kat arttığı görülmüşür. +5 V ve 367 nm-522 nm dalga boyu aralığında 382 nm'de ise en yüksek FD performansları elde edilmiştir. Bu koşullarda, kurşunsuza kıyasla yaklaşık 2,5 kat daha yüksek fotoakıma ulaşmıştır. Bu tez çalışmasıyla desen şekli, geometrisi, farklı elektrolitlerin etkisi ve aktif alanların bir arada incelenmesi, kompakt cihaz mimarisinin kendi kendine güç sağlayan FEK FD uygulamaları için umut verici olması, kurşunsuz perovskitin alternatif malzeme olarak belirlenmesi ve milisaniye düzeyinde tepki sürelerine sahip kararlı ve çevre dostu FD'ler elde edilmesi, inovatif bir yaklaşımla literatüre kazanımı ve gelecekteki yeni nesil FD'ler için verimli ışık yönetim mekanizmasına yönelik güçlü bir strateji ortaya koymuştur. Anahtar Kelimeler: ZnO, In2S3, AHP, Maskesiz Lazer Litografi, Fotodedektör
Multimorphological zinc oxide: Synthesis and investigation of solar driven hydrogen generation and optoelectrical properties
This dissertation is based on a highly distinctive, diosyncratic, and multiversant metal oxide semiconductor, zinc oxide (ZnO). More specifically, the work comprises the utilization of ZnO as both a highly efficient photoanode material and a photoluminescent thin film that serves both energy-based and optoelectronic applications. The emphasis within the scope of the dissertation is made on the morphological diversity of ZnO and the ways to utilize this as an advantage in photoelectrochemical and light-emitting appliances. Essentially, the dissertation consists of three main parts details of which are elaborated as follows; (i) In the first part, ZnO thin films are grown via hydrothermal routes in three diverse morphologies on flexible stainless steel substrates. Here, the aim was to examine the potential of implementation of ZnO-based photoelectrodes into strained, curvature systems by analyzing their photon-to-current conversion efficiencies under flexed conditions. The obtained performances have been correlated with detailed material characterizations offering an integrated vision of the system's operability. (ii) In this part, ZnO thin films were targeted to be grown on specific patterns without engaging costly and time-consuming lithographic techniques. By developing a smart approach, selective growth of ZnO has been attained by taking advantage of its seeding-layer selective nature. To put it differently, knowing that ZnO nanostructures have nucleation and growth pathways that vary strongly depending on the seeding layer, a dual ZnO/Ti stack film has been introduced onto the system. At this stage, Ti was the growth prohibiting agent, while ZnO seeding layer beneath played the role of growth provider. Through the careful utilization of a nanosecond fiber laser system, Ti layers have been successfully removed from the predetermined regions, consequently providing the selective allocation of ZnO nanostructures. By altering the ablation power, a concurrent growth of two different structures has been provided within the same hydrothermal solution and on the same substrate. This nanostructure duality has severely boosted the photoluminescence (PL) ability of ZnO films outscoring the light-emitting performances of individual nanostructures. (iii) In the final part of the dissertation, dual ZnO nanostructured films have been deposited with 0D and 3D inorganic halide perovskite (IHP) layers to maximize the PL performances and prolong the minority carrier lifetimes for future light-emitting device applications. With the incorporation of IHP layers a substantial improvement in emission, especially within the visible range, has been observed. Moreover, the increased carrier lifetimes have shown the promising characteristics of patterned and IHP sensitized multi-morphological ZnO films.
Multimorphological zinc oxide: Synthesis and investigation of solar driven hydrogen generation and optoelectrical properties
This dissertation is based on a highly distinctive, diosyncratic, and multiversant metal oxide semiconductor, zinc oxide (ZnO). More specifically, the work comprises the utilization of ZnO as both a highly efficient photoanode material and a photoluminescent thin film that serves both energy-based and optoelectronic applications. The emphasis within the scope of the dissertation is made on the morphological diversity of ZnO and the ways to utilize this as an advantage in photoelectrochemical and light-emitting appliances. Essentially, the dissertation consists of three main parts details of which are elaborated as follows; (i) In the first part, ZnO thin films are grown via hydrothermal routes in three diverse morphologies on flexible stainless steel substrates. Here, the aim was to examine the potential of implementation of ZnO-based photoelectrodes into strained, curvature systems by analyzing their photon-to-current conversion efficiencies under flexed conditions. The obtained performances have been correlated with detailed material characterizations offering an integrated vision of the system's operability. (ii) In this part, ZnO thin films were targeted to be grown on specific patterns without engaging costly and time-consuming lithographic techniques. By developing a smart approach, selective growth of ZnO has been attained by taking advantage of its seeding-layer selective nature. To put it differently, knowing that ZnO nanostructures have nucleation and growth pathways that vary strongly depending on the seeding layer, a dual ZnO/Ti stack film has been introduced onto the system. At this stage, Ti was the growth prohibiting agent, while ZnO seeding layer beneath played the role of growth provider. Through the careful utilization of a nanosecond fiber laser system, Ti layers have been successfully removed from the predetermined regions, consequently providing the selective allocation of ZnO nanostructures. By altering the ablation power, a concurrent growth of two different structures has been provided within the same hydrothermal solution and on the same substrate. This nanostructure duality has severely boosted the photoluminescence (PL) ability of ZnO films outscoring the light-emitting performances of individual nanostructures. (iii) In the final part of the dissertation, dual ZnO nanostructured films have been deposited with 0D and 3D inorganic halide perovskite (IHP) layers to maximize the PL performances and prolong the minority carrier lifetimes for future light-emitting device applications. With the incorporation of IHP layers a substantial improvement in emission, especially within the visible range, has been observed. Moreover, the increased carrier lifetimes have shown the promising characteristics of patterned and IHP sensitized multi-morphological ZnO films.
Multimorphological zinc oxide: Synthesis and investigation of solar driven hydrogen generation and optoelectrical properties
This dissertation is based on a highly distinctive, diosyncratic, and multiversant metal oxide semiconductor, zinc oxide (ZnO). More specifically, the work comprises the utilization of ZnO as both a highly efficient photoanode material and a photoluminescent thin film that serves both energy-based and optoelectronic applications. The emphasis within the scope of the dissertation is made on the morphological diversity of ZnO and the ways to utilize this as an advantage in photoelectrochemical and light-emitting appliances. Essentially, the dissertation consists of three main parts details of which are elaborated as follows; (i) In the first part, ZnO thin films are grown via hydrothermal routes in three diverse morphologies on flexible stainless steel substrates. Here, the aim was to examine the potential of implementation of ZnO-based photoelectrodes into strained, curvature systems by analyzing their photon-to-current conversion efficiencies under flexed conditions. The obtained performances have been correlated with detailed material characterizations offering an integrated vision of the system's operability. (ii) In this part, ZnO thin films were targeted to be grown on specific patterns without engaging costly and time-consuming lithographic techniques. By developing a smart approach, selective growth of ZnO has been attained by taking advantage of its seeding-layer selective nature. To put it differently, knowing that ZnO nanostructures have nucleation and growth pathways that vary strongly depending on the seeding layer, a dual ZnO/Ti stack film has been introduced onto the system. At this stage, Ti was the growth prohibiting agent, while ZnO seeding layer beneath played the role of growth provider. Through the careful utilization of a nanosecond fiber laser system, Ti layers have been successfully removed from the predetermined regions, consequently providing the selective allocation of ZnO nanostructures. By altering the ablation power, a concurrent growth of two different structures has been provided within the same hydrothermal solution and on the same substrate. This nanostructure duality has severely boosted the photoluminescence (PL) ability of ZnO films outscoring the light-emitting performances of individual nanostructures. (iii) In the final part of the dissertation, dual ZnO nanostructured films have been deposited with 0D and 3D inorganic halide perovskite (IHP) layers to maximize the PL performances and prolong the minority carrier lifetimes for future light-emitting device applications. With the incorporation of IHP layers a substantial improvement in emission, especially within the visible range, has been observed. Moreover, the increased carrier lifetimes have shown the promising characteristics of patterned and IHP sensitized multi-morphological ZnO films.
Tandem perovskit foto-elektrokimyasal güneş pilleri için elektron ve boşluk taşıyıcı tabakaların geliştirilmesi
Günümüzde teorik verim limitlerine yaklaşmış olan tekli yapıdaki güneş pillerinin verimlerinin arttırılması ve gelen güneş ışığından daha fazla faydalanabilmesi adına tandem yapı olarak adlandırılan ikili güneş pilli mimarisi geliştirilmiştir. Bu yapılar ile farklı yasak enerji bant aralığına sahip iki ayrı güneş pili birleştirilerek farklı dalga boylarındaki ışık soğurulabilmekte ve böylelikle daha fazla verim elde edilmektedir. Foto-elektrokimyasal güneş pilleri ise gelen güneş ışığından faydalanarak suyun ayrıştırılması ile hidrojen elde edilen sistemlerdir. Bu anlamda hidrojen eldesi sırasında daha fazla akım üretmek adına tandem yapılarda kullanılmaktadır. Elektron taşıyıcı, perovskit ve boşluk taşıyıcı katmanlardan oluşan perovskit güneş pilleri bu anlamda tandem yapılar için ideal konuma gelmektedirler. Perovskit malzemeler, inorganik-organik hibrit yapıda üretilebilen, kolay üretim yöntemleri ile ince filmleri oluşturulan, yüksek soğurma katsayısına ve kontrol edilebilir yasak bölge enerji aralığına sahip olan yarıiletkenlerdir. Genellikle perovskit tabaka, elektron ve boşluk taşıyıcı katmanlar arasına yerleştirildiği sandviç yapı adı verilen güneş pili yapısı tercih edilmektedir. Bu yüzden elektron ve boşluk taşıyıcı katmanların opto-elektronik özellikleri total pil verimine önemli ölçüde etki etmektedir. Elektron taşıyıcı tabaka olarak n-tipi, boşluk taşıyıcı tabaka olarak ise p-tipi malzemeler kullanılmaktadır. Bu katmanlar sayesinde sandviç yapının ortasında yer alan perovskit malzemede ışık etkileşimiyle oluşan elektron-boşluk çifleri birbirinden ayırılarak elektron ve boşluk taşıyıcı tabakalara difüz etmesiyle ve rekombine olma süreleri uzamaktadır. Bu da pil performansına olumlu yönde katkı sağlamaktadır. Literatürde elektron taşıyıcı tabaka olarak TiO2, oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu bağlamda hazırlanan tez kapsamında elektron taşıyıcı tabaka olarak TiO2'e kıyasla daha kolay ve maliyet etkin üretim yöntemlerine sahip olan çevre dostu malzeme olan ZnO kullanılması konusu araştırılmıştır. ZnO elektron taşıyıcı tabaka, kimyasal banyo yöntemi ile üretilerek farklı morfolojilerde ince filmler elde edilmiş ve bu morfolojilerin performans kıyasları yapılmıştır. Üretilen ZnO nano çiçek nano yapılı güneş pilinin performansın iyileştirilmesi amacıyla kimyasal banyo solüsyonun pH optimizasyonu yapılmıştır. Perovskit tabaka olarak kararlılığı yüksek olan tamamen inorganik yapıdaki CsPbBr3 kullanılmıştır. Diğer katmanların pil performansına etkisi araştırılması adına perovskit katman sabit tutulmuştur. Boşluk taşıyıcı tabaka olarak ise CuI ve karbon ince film kullanılmıştır.
Tandem perovskit foto-elektrokimyasal güneş pilleri için elektron ve boşluk taşıyıcı tabakaların geliştirilmesi
Günümüzde teorik verim limitlerine yaklaşmış olan tekli yapıdaki güneş pillerinin verimlerinin arttırılması ve gelen güneş ışığından daha fazla faydalanabilmesi adına tandem yapı olarak adlandırılan ikili güneş pilli mimarisi geliştirilmiştir. Bu yapılar ile farklı yasak enerji bant aralığına sahip iki ayrı güneş pili birleştirilerek farklı dalga boylarındaki ışık soğurulabilmekte ve böylelikle daha fazla verim elde edilmektedir. Foto-elektrokimyasal güneş pilleri ise gelen güneş ışığından faydalanarak suyun ayrıştırılması ile hidrojen elde edilen sistemlerdir. Bu anlamda hidrojen eldesi sırasında daha fazla akım üretmek adına tandem yapılarda kullanılmaktadır. Elektron taşıyıcı, perovskit ve boşluk taşıyıcı katmanlardan oluşan perovskit güneş pilleri bu anlamda tandem yapılar için ideal konuma gelmektedirler. Perovskit malzemeler, inorganik-organik hibrit yapıda üretilebilen, kolay üretim yöntemleri ile ince filmleri oluşturulan, yüksek soğurma katsayısına ve kontrol edilebilir yasak bölge enerji aralığına sahip olan yarıiletkenlerdir. Genellikle perovskit tabaka, elektron ve boşluk taşıyıcı katmanlar arasına yerleştirildiği sandviç yapı adı verilen güneş pili yapısı tercih edilmektedir. Bu yüzden elektron ve boşluk taşıyıcı katmanların opto-elektronik özellikleri total pil verimine önemli ölçüde etki etmektedir. Elektron taşıyıcı tabaka olarak n-tipi, boşluk taşıyıcı tabaka olarak ise p-tipi malzemeler kullanılmaktadır. Bu katmanlar sayesinde sandviç yapının ortasında yer alan perovskit malzemede ışık etkileşimiyle oluşan elektron-boşluk çifleri birbirinden ayırılarak elektron ve boşluk taşıyıcı tabakalara difüz etmesiyle ve rekombine olma süreleri uzamaktadır. Bu da pil performansına olumlu yönde katkı sağlamaktadır. Literatürde elektron taşıyıcı tabaka olarak TiO2, oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu bağlamda hazırlanan tez kapsamında elektron taşıyıcı tabaka olarak TiO2'e kıyasla daha kolay ve maliyet etkin üretim yöntemlerine sahip olan çevre dostu malzeme olan ZnO kullanılması konusu araştırılmıştır. ZnO elektron taşıyıcı tabaka, kimyasal banyo yöntemi ile üretilerek farklı morfolojilerde ince filmler elde edilmiş ve bu morfolojilerin performans kıyasları yapılmıştır. Üretilen ZnO nano çiçek nano yapılı güneş pilinin performansın iyileştirilmesi amacıyla kimyasal banyo solüsyonun pH optimizasyonu yapılmıştır. Perovskit tabaka olarak kararlılığı yüksek olan tamamen inorganik yapıdaki CsPbBr3 kullanılmıştır. Diğer katmanların pil performansına etkisi araştırılması adına perovskit katman sabit tutulmuştur. Boşluk taşıyıcı tabaka olarak ise CuI ve karbon ince film kullanılmıştır.
Tandem perovskit foto-elektrokimyasal güneş pilleri için elektron ve boşluk taşıyıcı tabakaların geliştirilmesi
Günümüzde teorik verim limitlerine yaklaşmış olan tekli yapıdaki güneş pillerinin verimlerinin arttırılması ve gelen güneş ışığından daha fazla faydalanabilmesi adına tandem yapı olarak adlandırılan ikili güneş pilli mimarisi geliştirilmiştir. Bu yapılar ile farklı yasak enerji bant aralığına sahip iki ayrı güneş pili birleştirilerek farklı dalga boylarındaki ışık soğurulabilmekte ve böylelikle daha fazla verim elde edilmektedir. Foto-elektrokimyasal güneş pilleri ise gelen güneş ışığından faydalanarak suyun ayrıştırılması ile hidrojen elde edilen sistemlerdir. Bu anlamda hidrojen eldesi sırasında daha fazla akım üretmek adına tandem yapılarda kullanılmaktadır. Elektron taşıyıcı, perovskit ve boşluk taşıyıcı katmanlardan oluşan perovskit güneş pilleri bu anlamda tandem yapılar için ideal konuma gelmektedirler. Perovskit malzemeler, inorganik-organik hibrit yapıda üretilebilen, kolay üretim yöntemleri ile ince filmleri oluşturulan, yüksek soğurma katsayısına ve kontrol edilebilir yasak bölge enerji aralığına sahip olan yarıiletkenlerdir. Genellikle perovskit tabaka, elektron ve boşluk taşıyıcı katmanlar arasına yerleştirildiği sandviç yapı adı verilen güneş pili yapısı tercih edilmektedir. Bu yüzden elektron ve boşluk taşıyıcı katmanların opto-elektronik özellikleri total pil verimine önemli ölçüde etki etmektedir. Elektron taşıyıcı tabaka olarak n-tipi, boşluk taşıyıcı tabaka olarak ise p-tipi malzemeler kullanılmaktadır. Bu katmanlar sayesinde sandviç yapının ortasında yer alan perovskit malzemede ışık etkileşimiyle oluşan elektron-boşluk çifleri birbirinden ayırılarak elektron ve boşluk taşıyıcı tabakalara difüz etmesiyle ve rekombine olma süreleri uzamaktadır. Bu da pil performansına olumlu yönde katkı sağlamaktadır. Literatürde elektron taşıyıcı tabaka olarak TiO2, oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu bağlamda hazırlanan tez kapsamında elektron taşıyıcı tabaka olarak TiO2'e kıyasla daha kolay ve maliyet etkin üretim yöntemlerine sahip olan çevre dostu malzeme olan ZnO kullanılması konusu araştırılmıştır. ZnO elektron taşıyıcı tabaka, kimyasal banyo yöntemi ile üretilerek farklı morfolojilerde ince filmler elde edilmiş ve bu morfolojilerin performans kıyasları yapılmıştır. Üretilen ZnO nano çiçek nano yapılı güneş pilinin performansın iyileştirilmesi amacıyla kimyasal banyo solüsyonun pH optimizasyonu yapılmıştır. Perovskit tabaka olarak kararlılığı yüksek olan tamamen inorganik yapıdaki CsPbBr3 kullanılmıştır. Diğer katmanların pil performansına etkisi araştırılması adına perovskit katman sabit tutulmuştur. Boşluk taşıyıcı tabaka olarak ise CuI ve karbon ince film kullanılmıştır.
Application of efficient photoelectrodes prepared by chalcogenide nanoparticle and cesium lead bromide perovskite sensitized 3D-ZNO nanostructure in photoelectrochemical solar cells
In this thesis, nanostructured zinc oxide (ZnO) layer with flower and urchin-like 3D morphologies have been deposited on fluorine-doped tin oxide (FTO) coated glass using chemical bath deposition (CBD) method. Then a thin layer of nanostructured cadmium sulfide (CdS) and selenide (CdSe) have been deposited on 3D ZnO with the same method. Additionally, a lead bromide perovskite (CsPbBr3) layer structure has been fabricated on the ZnO layer via spin coating method with the aim of the utilization of these material in to photoelectrochemical water splitting device as photo anode. Moreover, to modify the cadmium selenide layers, two ZnO/CdSe and ZnO/CdS/CdSe structures have been treated by thermal annealing at 200o C for 2 hours. As a result, the crystalline structure of the photoanodes was modified significantly. The structures also were analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), x-ray diffraction patters (XRD), Uv-vis and photoluminescence (PL) spectroscopies, finally the morphologies and compositions were analyzed with scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), and energy dispersive X-ray (EDX). The substrates were proven by the mentioned analysis and compared with other works in literature. Then the synthesized structures were used as photoanode in the photoelectrochemical solar cell water splitting system. The aim of the system was the production of hydrogen from splitting water molecules using sunlight. The incident photon-to-charge carrier efficiency (IPCE) efficiency of the bare ZnO and ZnO-CdS-CdSe electrodes have been calculated as 12% and %51, respectively. Moreover, the maximum IPCE of the ZnO-CsPbBr3 photoelectrode was approximately 37%. These data indicated that the heterojunction based electrodes prepared in this study are very promising in order to utilize them into solar water splitting systems.
Sprey piroliz yöntemiyle Cu(In,Ga)(S,Se)2 ince film foto elektrokimyasal güneş hücrelerinin geliştirilmesi
Küresel düzeyde artan enerji ihtiyacının yanı sıra, fosil yakıtlara dayanan geleneksel enerji kaynaklarının sınırlı olmasından dolayı, fotoelektrokimyasal güneş pillerinden elde edilen hidrojen enerjisinin umut verici düzeyde olduğu kabul edilmektedir. Bu umut vaat eden enerji alanında özellikle bir çok avantajı bulunan Cu(In,Ga)(S,Se)2 ince filmlerinin en ekonomik üretim yöntemlerinden biri olan sprey piroliz yöntemi ile geliştirilmesi üzerine çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, ilk bölümde yenilenebilir enerji ve fotoelektrokimyasal güneş pilleri hakkında genel bir bilgi verildikten sonra ikinci bölümde farklı stokiyometrilerde ince filmlerin hazırlanması ve yapıların çeşitli karakterizasyonlar sonucu optimum stokiyometrideki Cu(In,Ga)(S,Se)2 bileşiğinin bulunması amaçlanmıştır. Üçüncü bölümde ise elde edilen Cu(In,Ga)(S,Se)2 katmanı üzerine In2S3 tabakası çıkılarak çok katmanlı eklem yapısı oluşturulmuş ve performans ölçümleri incelenmiştir. Dördüncü bölümde ise çeşitli şekillerde fotoelektrokimyasal güneş pili konfigürasyonları değiştirilerek performans ölçümleri karşılaştırılmıştır. Daha sonra Cu(In,Ga)S2 yapısının ön çözelti kaynağı değiştirilerek ve katkılama yapılarak performansın arttırılması amaçlanmıştır. Bölüm 6'da konfigürasyonu tamamlayacak ve sprey piroliz yöntemi ile uygulanabilecek bir elektron taşıyıcı tabaka oluşturabilmek amacıyla çeşitli bileşimlerde ZnO ince film denemeleri yapılmıştır. Son olarak ise kimyasal banyo yöntemi ile üretilen üç boyutlu çinko oksit yapısı üzerine sprey piroliz yöntemi ile Sn-ZnO (TZO) nano kompozit katmanı meydana getirilmiş ve bu yapı üzerine daha önceki bölümlerde karar verdiğimiz en yüksek verime sahip Cu(In,Ga)S2 ve In2S3 konfigürasyonu yine sprey piroliz yöntemi ile uygulanmıştır. Sonuç olarak, yapılan performans analizleri (% IPCE ve ABPE) elde edilen ince filmin % 47.2 kuantum verimi ve % 4.17 foto çevrim verimlerine sahip olduklarını göstermektedir. Bunun yanısıra elde edilen performans sonuçlarının ince filmlerin optik ve morfolojik özellikleri ile ilişkisini incelemek için birçok karakterizasyon yöntemine başvurulmuştur.