Investigation of electrodeposition conditions on the morphology and properties of zinc oxide and iron oxide films

Bu çalışma temel olarak hidrotermal şartlar altında gerçekleştirilen elektrokimyasal sentez yöntemini (HED), güneş enerjisiyle elektrik ve hidrojen üretimi için yarı-iletken metal oksit filmlerin geliştirilmesinde bir araç olarak araştırmayı hedeflemektedir. Tezin ilk kısmı, çeşitli parçacık boyutu ve şekline sahip ZnO filmlerin HED ile hazırlanmasına ayrılmıştır. Ayrıca elektrokimyasal sentez yöntemini görünür ışığı soğuran parçacıkları ZnO üzerine daha iyi elektrik temas sağlayacak şekilde kaplamak için kullanarak, daha yüksek verimde çalışan güneş pilleri tasarımları oluşturmak hedeflenmektedir. HED ile Zn(NO3)2 (ve de KCl) derişiminden bağımsız olarak tek boyutlu ZnO çubuklar oluşturulduğu gözlenmiştir; Zn(NO3)2 derişimi, elde edilen çubukların çapını kontrol etmektedir. Zn(NO3)2'ın başlangıç derişimi arttırıldıkça çubuk çapının arttığı ve c-ekseni doğrultusunda büyümenin hızlandığı görülmüştür. Bununla birlikte, c-ekseni yönelimi ve çubuk çapı arttıkça foto-elektrokimyasal duyarlılık artmaktadır. ZnO100/CdS21 ile 2,08 mA/cm2 akım yoğunluğu, -1,32 V potansiyel ve toplam % 0,93 güneş-elektrik enerji çevirme verimi elde edilmiştir. Yarı-iletken elektrotların boyut, şekil ve parçacık bağlantıları gibi morfolojik özellikleri genellikle fiziksel özelliklerini etkilediği için, çok kristalli elektrotların morfolojik özelliklerini anlamak ve kontrol edebilmek son ürünün verimini arttırmada büyük önem taşır. Bu nedenle, HED ve parçacık büyümesini etkileyen moleküllerin sinerjisiyle çeşitli şekilde ZnO yapıların hazırlanması da tartışılmıştır. Başlangıç çözeltisi içerisindeki [MnCI2] ayarlanarak, ZnO çubukların çaplarının ayarlanabilir olduğu gösterilmiştir. Başlangıç çözeltisi içerisindeki [Cd(CH3COO)2/Zn(II)] oranı ayarlanarak, HED ile tek adımda hiyerarşik ZnO mimariler elde edilmiştir. HED ile ZnO matris üzerinde yoğun olarak kobalt içeren küreler büyütülerek heterojen ZnO-Co nano-parçacıklar oluşturulmuştur. Faz ayrımının derecesinin, çözelti içerisindeki Co(II) miktarı ile kontrol edilebildiği gözlenmiştir. Elektrokimyasal sentez yöntemi, ZnO filmleri CdS ve Ag2S ile kaplamak için hızlı ve ucuz bir alternatif olarak çalışılmıştır. CdS ile kaplı filmlerin foto-elektrokimyasal verimleri görünür ışığı soğuran malzeme arttıkça arttığından, CdS kaplama süresi ile arttığı gözlenmiştir. Kaplama süresi arttırıldıkça bir noktadan sonra elde edilen foto-akım azalmıştır. Mn_CdS/ZnO ile 1,42 mA/cm−2 akım yoğunluğu, -1,39 V potansiyel ve toplam % 0,81 güneş-elektrik enerji çevirme verimi elde edilmiştir. Ag2S/ZnO foto-elektrodları çok daha geniş bir aralıkta daha yüksek ışık soğurma kabiliyeti sergilemiştir. Yine de büyük olasılıkla kaplama sırasında ZnO çubukların yapıları bozulduğu için, güneş-elektrik enerji dönüştürme verimleri düşüktür. Bunların yanı sıra daha verimli güneş pilleri geliştirmek adına elektrokimyasal sentez ile üretilmiş CdS-ZnS tampon katmanların foto-elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. En yüksek performans gösteren film ile 1,31 mA/cm2 akım yoğunluğu, -0,99 V potansiyel ve toplam %0,6 güneş-elektrik enerji çevirme verimi elde edilmiştir Tezin ikinci kısmı HED ile hazırlanmış α-Fe2O3 filmlerin fiziksel ve foto-elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesine ve HED ve parçacık büyümesini etkileyen moleküllerin sinerjisiyle çeşitli büyüklük ve şekillerde α-Fe2O3 sentezine ayrılmıştır. Literatürde rapor edilen elektrokimyasal sentezlerden farklı olarak, HED ile ısıl işleme gerek kalmadan kristalin α-Fe2O3 fazı elde edilebildiği gözlenmiştir. Foto-elektrokimya testleri, HED ile hazırlanan filmlerin daha yüksek performans verdiğini göstermiştir. 0,05 M FeCl2 ve 0,1 M NaCH3COOH içeren çözeltiden, HED ile hazırlanan film 0,1 M NaOH içinde, 1,23 V potansiyelde (vs NHE) 23,6 µA/cm2 akım yoğunluğu üretmiştir ve foto-akım üretimine 0,96 V'da başlamıştır. Bunların yanı sıra, HED çözeltisine değişik miktarlarda CH3COO-, Ce3+ ve F- eklenerek; solucan benzeri, küresel, rombohedral, plaka ve en-boy oranı kontrol edilebilen kare prizma şeklinde α-Fe2O3 parçacıkları elde edilmiştir.