FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik - Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/184

Gözat

Yazar "Arıcı, Elif Ülkü" ile FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik - Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    Solüsyon Yöntemiyle Czts Sentezi Ve Fotovoltaik Devreler İçin Czts İnce Film Oluşturma Ve Film Özelliklerini İnceleme
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015-06-23) Erğun, Rıdvan ; Arıcı, Elif Ülkü ; 10077641 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering
    İnce film güneş pilleri ikinci nesil güneş hücre modülüdür. Günümüzde kullanılabile ince film güneş pilleri amorf silikon güneş hücrelerinin verimsizliği, CdTe fotovoltaik teknolojinde kullanılan telyum (Te) ve CIS fotovoltaik güneş pillerinde kullanılan indiyum (I) elementlerinin kıtlığı ve CdTe fotovoltaik teknolojisinde kullanılan cadmiyumun (Cd) zehirli etkisi ile mücadele etmektedir. Bu sebeplerden ötürü CZTSSe büyük ilgi görmekte ve yakın gelecekte ince film güneş pillerinde soğurucu tabaka olarak kullanılmak üzere CIGS ve CdTe soğurucu tabakasına alternatif olarak büyük bir potansiyele sahiptir.  İnce film güneş pillerinde kullanılan diğer soğurucu tabakalar ile karşılaştırıldığında bakır (Cu), çinko (Zn), kalay (Sn), sülfür (S) ve/veya selen (Se) içeren dörtlü bileşik olan CZT(S,Se) zehirli olmayan, yerkabuğunda bolca bulunan ve düşük maliyetli elementler içermesinden ötürü güneş pillerinin maliyetinin düşürülmesi için oldukça önemlidir. İnce film güneş pillerinde soğurucu tabaka olarak kullanılan dörtlü bileşik Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 (CZTSSe) yüksek verim potansiyeli ve üretiminin ucuz olması sebebiyle yakın geleceğin alternatif soğurucu tabakası olarak yüksek ilgi görmektedir. En yüksek verim ile çalışan güneş pillerinde kullanılan  CIS ve CIGS soğurucu tabakası vakum yöntemleriyle üretilirken, şu ana kadarki üretilen en yüksek verimlilikle çalışan CZT(S,Se) soğurucu tabakası solüsyon yöntemiyle üretilmiştir. Bu durum CZTS soğurucu tabakasının üretim maliyetini düşürmesinden dolayı bu dörtlü bileşik ince filmlerde kullanılabilmesi açısından önemli yere sahiptir. CZTSSe dörtlü bileşiğinin yapısını açıklamak için ikili CdTe zincblende kristal yapısına adapte olmuştur. CIS gibi üçlü sistemler CdTe yapısının iki grup II atomunun grup I ve grup III atomuyla yerdeğiştirmesi ile mümkündür. CZTS gibi dörtlü bileşikler, üçlü bileşiklerdeki grup III’teki iki atomun grup II ve Grup IV ile yer değiştirmesi sonucu eldeedilebilir. Bu dörtlüfazlar bir çok kristal yapıda bulunabilmesine karşın güneş pilleri için uygun olan kesterit yapısı termodinamik olarak en kararlısıdır.   Solüsyon yöntemiyle sentezlediğimiz CZT(S,Se) soğurucu tabakası için Cu, Zn, Sn ve S başlangıç malzemeleri kullanıldı. Oleylamine sadece çözücü olarak değil ayrıca reaksyonun gerçekleşebilmesi için yüzey aktif madde olarak da kullanıldı. Bu çalışma sırasında, CZT(S,Se) soğurucu tapakası hibrit güneş pilleri yapısında başarılı şekilde kullanıldı. Sırasıyla Cu, Zn, Sn ve se S kaynağı olarak kullanılan Copper(II) asetilasetonat, zinc asetilasetonat hidrat and tin(IV) bis(asetilasetonat) dibromide ve elementel sülfürün karışımıyla sentezlendi. Bu bileşenler farklı mollerde karıştırılarak çeşitli sentezler yapıldı. OLA çözücü ve yüzey aktif malzeme olarak kullanıldı. OLA çeşitli organiklerin uzaklaştırılması için 130 oC 30 dakika bekletildikten sonra belli oranlarda karıştırılan başlangıç malzemeleri 230 oC dereceye azot atmosferinde karıştırılan OLA çözeltisine ani olarak eklendi. 230 oC derecede bir saat karıştırıldıktan sonra toluen ve izopropanol eklenerek yıkama aşamasına geçildi. Tolüen ve IPA eklenmis son reaksyon tamamen karışana kadar karıştırıldıktan sonra  14000 rpm hızında 10 dakika süre ile santrifüj edilmek üzeere 2 mililitrelik santrifüj kaplarına dolduruldu. Merkezkaç kuvvetinin etkisiyle çöken CZTS tozlarından arda kalan atık sıvı boşaltıldıktan sonra çöken tozlara eşit miktarda tolüen ve IPA eklenerek tekrar 8000 rpm hızında 20 dakika süreliğine santrifüjişlemine maruz bırakıldı.çökeltinin üstünde yüzen solvet çok miktarda nano boyutlu CZTS molekülleri içerdiği için santrifüj yapılamk üzere bir kapta saklandı. Son çökeltiye tolüen eklenip sesötesi banyo uygulanarak çökeltinin tolüen içinde iyice dağılması sağlandıktan sonra kararlı çözelti haline getirildi. Böylece CZTS molekülleri tolüen içinde dağılarak spin kaplama yöntemiyle kaplanması için hazır hale getirildi. Toluene içinde dağılmış durumda bulunan CZTS molekülleri bekleme sonucu çökme ihtimaline karşın spin kaplama yöntemi ile altlık malzemesine kaplamak için hazır hale getirmek amacıyla manyetik balık ile CZTS molekülleri iyice dağılana kadar karıştırıldı. Mikro pipet ile manyetik karıştırıcı ile karıştırılan CZTS solüsyonu altlık malzemeye damlatılıp iyice yüzeyde dağılması beklendikten sonra döndürme yöntemiyle 3000 rpm hızla  bir dakika süre ile döndürüldü. Çeşitli organik bileşenlerin uzaklaştırılması için 175 oC derecede bir süreliğine kurutma işlemi yapıldı. Arzu edilen kalınlığa ulaşılana kadar döndürerek kaplama yöntemi tekrarlandı. Çalışmaların sonucunda arzu edilen kompozisyon ve kristal yapıya ulaşıp ulaşılamadığını tespit edebilmek amacıyla X-Ray Diffraction (XRD), raman spektroskopisi ve energy dispersion X-Ray spectroskopisi kullanıldı. XRD ve raman spektroskopisi kristal yapının tespit edilebilmesi için kullanıldı. Dörtlü bileşiklerin reaksyonu sırasında oluşabilecek ikili ve üçlü bileşiklerin tespiti  XRD yöntemi ile kesin olarak belirlemek çok zordur çünkü bu bileşiklerin XRD pikleri birbirine çok yakın olup ayırt edilebilmesi çok zordur. Bu sebeple raman spektroskopisi XRD sonuçlarını doğrulayabilmek için beraberce kullanılır. Bakırca yoksun ve çinko zengin bir kristal yapı oluşturulup oluşturulamadığı ise EDX sonuçları ile tespit edildi.  Oluşturulan ince filmler reaksyon sonucu CZTS oluşturmak için kullanılan organik aktif yüzeyi uzaklaştırmak ve krsital yapıyı geliştirmek için ısıl işlem uygulandı. İdeal ısıl işlem bulunabilmesi amacıyla ince filmler 350 oC ile 425 oC arasında bir saat süre ile oksitlenmeyi önlemek için nitrojen atmosferinde tavlama işlemi yapıldı. Tavlama işlemi ısıtma ocağı üzerinde yapıldı.  375 oC sıcaklığın üzerinde sıcaklık uygulanmaya başlandığında ikincil fazların oluşmaya başladığı gözlendi. Ayrıca bu sıcaklıkta Cu az ve Zn zenginfazının yapısı bozulmaya başladı. Bu sebeplerden ötürü 350 oC ideal tavlama koşulu olarak belirlendi. Raman sonuçlarına göre, 425 oC tavlama sıcaklığına çıkıldığında ise CZTS yapısı tamamen bozulmaya başladı.  Film yapısını iyileştirmek ve kristal yapıyı ideal hale getirmek için selenizasyon işlemi uygulandı.selenizasyon işlemi tüp fırın içerisinde oksitlenmeyi önlemekiçin nitrojen atmosferinde uygulandı. Selenizasyon işlemi 500 oC sıcaklığında 20dk ve 40 dk.. süre ile uygulandı. Selenyum kaynağı olarak Selenium black 99+  tozu kullanıldı. Selen kaynağı tüp fırının 500 oC ısı alanında tutulurken kaplanıcak olan CZTS filmler 350 oC derecelik daha soğuk bölgede tutuldu. Böylece daha sıcak olan selenyum buharının daha soğuk olan yüzetde birikmesinin artırılması hedeflendi. Selenizasyon deneyi ayrıca 550 oC sıcaklıkta 40 dakika süreyle yapıldı. Aşırıverilen sıcaklık Cu2Se fazının oluşmasına sebep oldu. Bu durumgösteriyorki selenizasyon prosesi ikincil fazların oluşmasına sebep olabilir ve dolayısıyla işlem dikkatli bir şekilde yapılması gerekiyor. Oluşturulan yapıların güneş pili devresi haline getirmek için molibden (Mo) kaplı cam üzerine sentezlediğimiz CZTS ile kaplandıktan sonra gerekli ise selenizayon işlemi uygulandı. [6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM), CZTS kaplı molibdenyum altlık üzerine döndürme yöntemiyle kaplandı. Böylece hibrit güneş pili için p-n ekleme yapısı oluşturulmuş oldu. Gümüş (Ag) ise elektrot olarak PCBM özerine ısıl buharlaştırma yöntemiyle kaplanarak Mo/CZTS,CZT(SSe)/PCBM/Ag hibrit fotovoltaik yapısı oluşturuldu. Oluşturulan hibrit güneş pili yapısının verimliliğinin ölçülebilmesi için Incident photon to current (IPCE) ve güneş simülatörü kullanıldı. IPCE belirlene dalgaboyu aralığında tek dalgaboyu ışık göndererek gelen tek dalga boyu ışıgın ne kadar fotonu etkileyerek elektrık akımına çevirdiği hesaplanır. Bu işlem günlük ışıktan arındırılmış özel bir ortamda yapılır. Güneş simülatörü ise tek bir dalgaboyu yerine görünebilir dalgaboyu aralığında güneş ışığını canlandırmak için örnek belli bir standart ile belirlenmiş ışığa maruz bırakılır. Güneş ışığına maruz bırakılmış haldeyken verilen voltaja karşılık gelen ölçülen akım okunur ve akım voltaj grafiği oluşturulur. Bu grafik üzerinden verimlilik ile ilgili değerler tespit edilir.
  • Öge
    Tek Duvarlı Karbon Nanotüp Saflaştırması ve  geçirgen Elektrot Oluşturulması Konusunda Deneysel Çalışmalar
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015-06-25) Lakı, Mozhgan ; Arıcı, Elif Ülkü ; 10077663 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering
    Dünya ekonomisi hızla büyüdükçe, enerji tüketimi çok hızlı bir şekilde artmaktadır Bu enerjinin büyük bir kısmı bilindiği üzere fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. fosil yakıtlar atmosferdeki CO2 derişimini arttırmakta ve dolayısıyla gerek çevre gerek iklim üzerinde olumsuz etkiler yaratmaktadır.  Bu olumsuz etkiler dünya genelinde sıcaklık ortalamasının 1900’lü yıllara oranla yaklaşık 1 derece artmasına ve iklimsel dengelerin değişmesine yol açmıştır. Bu nedenlerle, tüm dünyada petrol ve doğal gaza daha az bağımlı, çevre-dostu yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi ve günlük hayatımıza uyarlanması arayışı içine girilmiştir.  Her yıl Dünya yüzeyine düşen güneş enerjisi, tüm dünyanın yıllık enerji tüketiminin 15.000 katıdır. Bu devasa enerji kaynağından yararlanabilmek, enerji probleminin çözümü için en ideal yoldur. Güneş panelleri, gürültüsüz, zehirli artıklar üretmeyen, sera gazı yayımı olmayan, kurulduktan sonra bakım gerektirmeyen bir teknoloji olduğu gibi, elektrik enerjisi istendiğinde, son kullanıcının yakınında üretilebilmekte ve taşıma kayıplarını ve masraflarını da ortadan kaldırmaktadır.   Günei enerjisi teknolojilerin bir kısmı güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren kollektör sistemleri olup, diğer önemli teknoloji ise, güneş enerjisini elektrik enerkisine çeviren fotovoltaik sistemlerdir.   Güneş pilleri olarakta adlandırılan bu cihazlarda, yarıiletken malzemelerin ışığı soğurması ile oluşan eksitonların (elektron-boşluk çifti), iki elektrot arasında oluşan elektrik alanında ayrışması (dissaziation) ve elektronların katoda, pozitif yük taşıyan boşlukların ise anoda yönlenmesi ile elektrik akımı üretilir.  Klasik silikon kökenli güneş pilleri üretiminde; kullanılan ileri teknoloji, malzemenin saflaştırılması ve kristallenmesi için gereken yüksek ısı (1500-1800 C), ince tabaka oluşturulurken kaybolan malzeme ve benzeri nedenlerden dolayı harcanan enerji yüksektir. Seri üretime geçildiğinden, inorghanik güneş pillerinde maliyetler giderek azalmıştır. Enerji dönüşüm verimi yaklaşık olarak % 15-%17 civarındadır.  organik güneş pillerin dönüşümün temel basamakları, güneş ışığının soğurulması, yük ayrışması, yük transportu ve yüklerin toplanmasıdır. Konjuge polimerlerde π-bağlarını oluşturan delokalize Pz – orbitalleri, gerçekte iki farklı orbital meydana getirmektedirler: düşük enerjili bağlayıcı orbitaller (π) ve yüksek enerjili karşıt bağlayıcı orbitaller (π*). Bu iki orbital arasındaki enerji farkı organik yarıiletken malzemenin enerji bant aralığına (Eg) karşılık gelir.  Bant aralığı değerleri 0,5 eV’ tan 4 eV’a kadar değişen yarı iletken konjuge polimerler, çoğunluğu görünür bölge ışığından etkilenir. Işık, yeterli bir enerji ile molekül tarafından soğurulduğunda, bir elektron temel hal enerji bandından (HOMO) uyarılmış hal enerji bandına (LUMO) geçer.yani, enerji bant aralığına eşit veya daha büyük enerjide ışığın soğurulması ile π*-orbitallerinde elektron ve π- orbitallerinde elektron boşluğu meydana getirilmektedir. İletkenlik bandındaki elektronları ve valans bandındaki elektron boşluklarının serbest olunur. Eksitonun ayrışması, metal kontak ile organik yarıiletken ara yüzeyinde veya farklı elektron akseptör veya donör özellikteki molekül ara yüzeyinde gerçekleşebilir. Yarıiletken polimer ve fulleren türevlerinin harmanlanması ile oluşturulan katmanlarda. Elektron ilgisi daha yüksek olan malzeme diğerinin iletkenlik bandından (ELUMO, Donör) elektron alabilir, bu nedenle de akseptör olarak adlandırılır. Düşük iyonlaşma potansiyeline (IP) sahip malzeme ise temas halinde bulunduğu yarıiletkenin değerlik bandından (VB) elektron boşluğu alabilir, bu nedenle boşluk iletken malzeme ya da elektron donör malzeme olarak adlandırılmaktadır. Yüklerin transferinin, iyonlaşma potansiyeli düşük olan donör ve elektron ilgisi (EA) yüksek olan akseptörün ara yüzeyinde meydana gelir. Organik güneş pili, iş fonksiyonu farklı iki metal elektrot arasına yapılan aygıtlardır. Bu elektrotlardan bir tanesi anot diğeri de katottur. Katot elektron alarak indirgenen malzemeyi anot ise elektron vererek yükseltgenen malzemeyi ifade eder. Elektrik alanının ayırdığı yükler çoğunlukta oldukları bölgelere gittikten sonra elektron,   elektron alıcısı olan katoda, boşluk ise anoda doğru çekilir ve böylelikle elektrik alanının ayırdığı bu yükler devrede dolanarak akıma katılmış olurlar.  İdeal morfoloji, eksiton difüzyon mesafesinin 10 nm civarı olduğu varsayılırsa, iç içe geçmiş donör/akseptör ağ yapısının 10 nm’lik bir nanomorfolojiye sahip olmasını gerektirir. Böylece,  olabildiğince uzun donör/akseptör ara yüzeyinde, donör polimerin ışıkla etkileşimi sayesinde oluşan eksitonlar, ara yüzeyde etkili bir şekilde ayrışırlar. Diğer yandan, ayrışmış yüklerin elektrotlara ulaştırılabilmesi için hem donör hem de akseptör ağının mümkün olduğunca kesintisiz bir şekilde zıt elektrotlara yönlenmesi gerekmektedir. Bütün bu senaryo, hacim heteroeklem güneş pillerinde nano-morfolojinin ne kadar önemli olabileceğini göstermektedir. Organik güneş pilleri Yarı-iletken polimerler, sıvı kristaller, fulleren türevi 1-(3-metoksikarbonil) propil 1-1 fenil-[6,6]-metanofulleren (PCBM) gibi organik çözeltilerden ince film oluşturabilen malzemeler, püskürtme, dönel-kaplama (spin-coating) teknolojisi, esnek veya sert elektrot tabakaları üzerine hazırlanabilirler, ve bu teknolojinin getirdiği avantajlarla (üretim maliyeti düşük, her türlü elektrot üzerine kaplanabilen, esnek, hafif, seri üretime uygun, boyutları kullanım alanına göre rahatlıkla uyarlanabilen) özdeşleşirken,  küçük organik moleküller vakum işleminin getirdiği avantajlarla ( az malzeme sarfı,  üretim kontrolü kolay teknoloji) yanı sıra, hafif ve esnek olmaları da anılırlar. Ucuz üretim teknolojisinin, güneş pillerinin, günlük hayatta kullanılmasına ( Laptop charger, mobile charger,...) imkan verir.   Organik güneş pilleri, verimliliği arttırıldığı takdirde, gerek düşük maliyetleri, gerekse esnek, hafif, katlanabilir yapıları nedeniyle bazı kulanım alanlarında, inorganik güneş pillerinin yerini alabilir.   Organik güneş pillerinde en kritik faktör, uluslararası birçok araştırma grubunun da üzerinde çalıştığı, maliyet artışı olmadan enerji dönüşüm verimliliğinin arttırılması konusudur. Opto-elektronik cihazlarda ve güneş pillerinde elektrot olarak genelde indium çinko oksit (ITO) kaplı cam tabakalar kullanılır. Indium kaynaklarının az olması nedeniyle, bu malzeme gün geçtikce, pahalılaşmaktadır. Karbon nanotüp (CNT) ince filmleri, şeffaf elektrot ITO)  yerine kullanılabilecek en uygun alternatiflerdir.  CNT’lerın en büyük avantajı yüksek esneklikte ince film oluşturmasıdır. Ayrıca bu filmlerin çözeltiden hazırlanması, maliyeti düşürür.   Sentez sonrasında SWNTlerde 1:3 oranında  metalik NT oluşmaktadır. 2:3 oranında ise p- tipi yarıiletkenlik özelliğine sahip SWNT oluşmaktadır. Metalik SWNTler ışık geçirgen iken, p-tipi olanlar ışığı (......nm)de soğurur. Ancak,  instristik olarak p-tipi iletkenliğe sahip CNT yüzeyleri çok düşük miktarda katkı maddeleri ( HNO3 vs.) kullanılarak  % 85 - % 90 oranında ışık geçirgen, iletken tabakalar oluşturmak mümkündür.  CNT katkılanması hem serbest yük miktarını arttırdığından hem de tüpler arasındaki direnci azalttığından, CNT iletkenliğini katkılayıcı derişimine bağlı olarak, yarı-iletken CNTleri metalik CNTlere dönüştürür.  CVD yöntemi ile sentezlenmiş karbon nanotüpleri, asidik ortam içinde uygun yüzey aktif maddeler kullanılarak ve dört aşamalı kimyasal yöntemiyle saflaştırmak ve doplama uygulanır. Isıl ağırlık analiz metodu (TGA) , X-ışını (X-Ray) ve Raman ölçümleri kullanılarak saflaştırma yönteminin dört basamakları sonunda % 98 üzeri saf CNT ağırlığına ulaşım, doğrulanır. Çözelti, püskürtme, dönel kaplama (spin-coating),  daldırmalı kaplama (dip-coating) yöntemleriyle olabileceği gibi, kimyasal buharlaştırma yöntemiyle de, CNT ince filmleri hazırlanmaktadır. CNT ince film hazırlanmasında risk teşkil eden faktörler, morfolojide kararlılık, az pürüzlü yüzeylerin oluşturulması, kontrollü ve homojen p-tipi kararlı katkılanma, homojen optik/elektriksel geçirgenlik olabilir esnek veya sert elektrot tabakaları üzerine hazırlanabilirler esnek veya sert elektrot tabakaları üzerine hazırlanabilirler esnek veya sert elektrot tabakaları üzerine hazırlanabilirler esnek veya sert elektrot tabakaları üzerine hazırlanabilirler. bu calışma da çözeltı çok şeffaf ve sürekli ince örgü spin kaplama üzerinden farklı yüzey aktif kullanan CNT ince filmler yapılandırılmış hazırlanan. spin kaplama yontemıle ve farklı yüzey aktif maddeler kullanarak son derece şeffaf ve gayet iyi gözenekli yapılı CNT ince filmler hazırlandı. İnce film morfolojisi ve iletkenlik arasındaki denge, yüzey aktif maddeler ve CNT demetleri arasındaki moleküler etkileşimler tarafından kontrol edilir. Bu etkileşimler temas açısı ölçümleri tarafından sınıflandırılmıştır. CNT duvarları ile güçlü etkileşimlere sahip olan yüzey aktif maddeler, kolayca büyük ölçekli ince filmler oluştururlar. Ancak moleküler etkileşimler zayıf olduğundan, yalıtkan yüzey aktif madde değiştirilmesi ve CNT elektrot doping daha etkilidir. Bu nedenle, elde CNT elektrotların elektro-kimyasal özellikleri, karşılaştırma amacıyla, çevrimsel voltametre karakterize edilir. Çalışmalarımız göstermektedir ki, SDS (sodyum dodesil sülfat) ile hazırlanmış CNT ince film elektrotları, DOC (sodyum deoksikolat), NMP (N-metil-2-pirolidon) ve SDBS (sodyum dodesilbenzen sülfonat), yüzey aktif madde olarak kullanılarak CNT elektrotlar, kıyasla daha iyi performans yol açtığını göstermektedir.