Molten salt assisted self-assembly (MASA): Synthesis, characterization and solar cell performances of mesoporous silica-CdSe and titania-CdSe thin films

Bu çalışmada [Cd(H2O)4](NO3)2 tuzu, Si(OCH3)4, TMOS veya Ti(OC4H9), TTBO polimerleştirici ajanları, iki yüzeyaktif madde (setiltrimetilamonyum bromür, CTAB ve 10-löril eter, C12H25(OCH2CH2)10OH, C12EO10); eriyik tuz yapılı kendiliğinden oluşma (EYKO) öncülleri olarak kullanıldı ve Cd(II)/yüzeyaktif mol oranları değiştirilerek ince mezogözenekli filmler hazırlandı. İnce filmler 2 basamakta hazırlandı: ilk adımda TiO2 parçacıkları (P25) (parçacıklar tipik olarak 20-25 nm civarında), etanol içinde iyice homojenize edilip ardından uygun bir alttaş üzerine spin kaplama yöntemiyle kaplandı ve 450oC'ye kadar ısıtıldı. İkinci basamakta ise yukarıda bahsedilen berrak çözelti (tuz, CTAB, C12E10, SiO2 veya TiO2 kaynağı ve etanol) TiO2 (P25) üzerine damlatıldı ve tekrar spin kaplama yöntemiyle TiO2 film üzerine homojen dağılması sağlandı ve tekrar 450 oC'ye ısıtıldı. Filmin tuzun erime noktasından (65oC civarı) başlayarak 450 oC'ye kadar yavaşça ısıtılmasıyla (1 oC/dakika hızla) mezogözenekli SiO2/TiO2-kadmiyum oksit(CdO) ince filmleri oluşturuldu ve mezo-CdO-SiO2-P25 ve mezo-CdTiO3-P25 olarak adlandırıldı. Berrak çözelti kullanılarak ayrıca P25 kullanılmadan doğrudan cam üstüne spin kaplama yapılarak mezo-CdTiO3 ince filmi de elde edildi. Hazırlanan filmler daha sonra 100 oC'de 30 dakika boyunca H2Se gazı ile tepkimeye sokuldu ve mezo-CdSe-SiO2-P25, mezo-CdSe-TiO2-P25 ve mezo-CdSe-TiO2 filmleri elde edildi. SiO2 örneği daha sonra seyreltik HF çözeltisiyle muamele edildi ve SiO2'den arındırılmış mezo-CdSe-P25 elde edildi. Elde edilen ürünlerin karakterizasyonları XRD, FT-IR, UV-VIS ve Raman spektroskopileri, EDX ve Solar Ölçüm teknikleriyle yapıldı. Raman ve EDX ölçümlerine göre, SiO2 örneklerindeki CdSe miktarının TiO2 örneklerinden daha fazla olduğu belirlendi ve bu sonuç ile SiO2 örneklerinin daha reaktif olduğu tesbit edildi. Ayrıca hem SiO2 hem TiO2 örneklerinde CdSe miktarının en yüksek olduğu Cd/yüzeyaktif mol oranının 6 olduğu tesbit edildi. Flor doplanmış kalay oksit (FTO) camı, güneş pili ölçümleri için kullanılan anot elektrotunun yapımında şeffaf ve iletken bir alttaş olarak kullanılmıştır. Güneş pili ölçümlerine göre, P25 üzerinde hazırlanan SiO2 ve TiO2 örneklerinin P25 kullanılmadan hazırlanan TiO2 örneğine göre daha yüksek verim gösterdiği ve P25 üzerinde sentezlenen bu iki örneğin verim değerlerinin birbirlerine yakın olduğu görüldü(güneş pilinde verim, güneş pilinin verdiği elektrik enerjisi çıktısının güneşten gelen enerjiye oranı olarak tanımlanır). En verimli örneklerin genel olarak 6 veya 8 Cd/yüzeyaktif mol oranına sahip örnekler olduğu belirlendi. Pil verimini arttırmak için Mn(II), Fe(III), Cu(II) ve Co(II) bazı 3d grubu geçiş metal katyonları dopant olarak kullanıldı. Pil veriminde Mn(II) eklenmiş SiO2 örneklerinde 10%, TiO2 örneklerinde 30% oranında artış gözlendi. Cd(II)/yüzeyaktif mol oranları değiştirilerek, elektrolitin (Na2S/S8) hazırlandıktan sonraki bekleme süresi değiştirilerek, film hazırlama esnasında EYKO çözeltisi birden fazla defa spin kaplama yapılarak, EYKO çözeltisine değişik metal katyonları farklı mol oranlarında ilave edilerek ve son olarak anot elektrodun üzeri ZnS veya CTAB gibi moleküllerle kaplanıp modifiye edilerek güneş pili ölçüm karakterizasyonları yapıldı. Yukarıda bahsedilen her bir parametrenin güneş pili performansını değiştirdiği görüldü. Her bir parametrenin güneş pili verimine etkisi I-V eğrisi ile tesbit edildi. Sonuç olarak, Na2S/S8 elektrolitinin yeni hazırlanmış olmasının, EYKO çözeltisini 2 defa kaplamanın, Mn(II) katyonunu dopant olarak seçmenin ve Mn(II)/Cd(II) mol oranını 0.15 olarak ayarlamanın ve anodu kaplamak için CTAB kullanmanın isabetli olduğu görüldü.