Boya duyarlı güneş hücreleri için hidrotermal yöntem ile üretilen  ZnO ve AZO nanoyapılı filmlerin elektrokimyasal ve korozyon özellikleri
Electrochemical and corrosion properties of ZnO and AZO nanostructured films produced by hydrothermal method for dye-sensitized solar cells
Yazar: ORKUN GÜLTEPE
Danışman: PROF. DR. FERHUNDE ATAY
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Boya duyarlı güneş hücreleri düşük maliyetli üçüncü nesil güneş hücreleri grubuna ait ince film temelli aygıtlardır. Bu aygıtlarda fotoanot malzemesi boyayı destekleme, foton soğurma ve elektron taşınımı süreçlerinde özel bir öneme sahiptir. Birçok teknolojik uygulamada yaygın kullanım potansiyeli olan ZnO nanoçubuk dizileri fotoanot olarak dikkat çekici malzemelerdir. Ancak ZnO temelli boya duyarlı güneş hücrelerinin performanslarını artırmak için ZnO nanoçubuk dizilerinin kontrollü olarak büyütülmesi ve özelliklerinin iyileştirilmesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasında amacımız hidrotermal öncül çözeltilerin hazırlanmasında hekzametilentetramin ve hekzametilentetramin-hekzametilendiamin ligant karışımı kullanarak özgün katkısız ve sabit oranda Al katkılı ZnO nanoçubuk dizilerini kontrollü nanoyapı üretme imkânı sağlayan hidrotermal yöntem ile büyütmek ve fotoanot olarak kullanım potansiyellerini araştırmaktır. Tez kapsamında katkısız ve Al-katkılı ZnO nanoçubuk dizilerinin üretimi iki aşamalı bir süreçle gerçekleştirilmiştir. Öncelikle FTO alttaşlar üzerine aynı üretim parametrelerinde sol-jel döndürerek kaplama tekniği ile ZnO tohum tabakaları üretilmiş ve ardından üzerlerine hidrotermal yöntem ile nanoyapılı filmler büyütülmüştür. Ayrıca, katkısız ve Al-katkılı ZnO nanoçubuk dizilerinin özellikleri literatürden farklı olarak hekzametilentetramin-hekzametilendiamin ligant karışımı kullanılarak da modifiye edilmiştir. Tüm nanoyapılı filmlerin fotoanot olarak kullanım potansiyellerini araştırmak için standart analizleri (XRD, UV/Vis Spektrofotometri, AFM, FESEM-EDS) yapılmış ve N719 boya yüklenme kapasiteleri, korozyon dirençleri, yük transfer kinetikleri ve difüzyon mekanizmaları ileri analiz teknikleri (Elektrokimyasal empedans spektroskopisi, korozyon ve boya yükleme testleri) kullanılarak incelenmiştir. Tüm analizler değerlendirilerek, hidrotermal öncül çözeltilerin hazırlanmasında kullanılan ligantların ve Al katkı elementinin, aynı özelliklere sahip ZnO tohum tabakaları üzerine büyütülen ZnO nanoçubuk dizilerinin yapısal, optik, yüzey ve elektrokimyasal özellikleri yanında korozyon direnci ve boya yükleme kapasiteri üzerinde güçlü bir etki yarattığı saptanmıştır. Ayrıca katkısız ZnO nanoyapılı filmlerin fotoanot olarak kullanım potansiyellerini sınırlayan faktörlerin, sabit oranda Al elementi katkılanarak ve/veya hekzametilentetramin-hekzametilendiamin ligant karışımı kullanılarak minimize edilebileceği sonucuna varılmıştır.aktır

Abstract:
Dye-sensitized solar cells are thin-film-based devices belonging to the low-cost third-generation solar cells group. In these devices, the photoanode material has special importance in the processes of dye support, photon absorption and electron transport. ZnO nanorod arrays, which have the potential for widespread use in many technological applications, are remarkable materials as photoanodes. However, to increase the performance of ZnO-based dye-sensitized solar cells, controlled growth of ZnO nanorod arrays and improvement of their properties are required. Our aim in this thesis is to grow unique undoped and constant Al-doped ZnO nanorod arrays with a hydrothermal method, which allows controlled nanostructure production, by using hexamethylenetetramine and hexamethylenetetramine-hexamethylenediamine ligand mixture in the preparation of hydrothermal precursor solutions, and to investigate their potential usage as photoanodes. Within the scope of the thesis, the production of undoped and Al-doped ZnO nanorod arrays was carried out in a two-stage process. First of all, ZnO seed layers were produced on FTO substrates with the sol-gel spin coating technique under the same production parameters, and then nanostructured films were grown on them with the hydrothermal method. Additionally, the properties of undoped and Al-doped ZnO nanorod arrays were modified using hekzametilentetramin-hekzametilendiamin ligand mixture, unlike the literature. To investigate the potential usage of all nanostructured films  as photoanode, standard analyzes (XRD, UV/Vis Spectrophotometry, AFM, FESEM-EDS) were performed and N719 dye loading capacities, corrosion resistance, charge transfer kinetics and diffusion mechanisms were analyzed by using advanced analysis techniques (Electrochemical impedance spectroscopy, corrosion and dye loading tests). By evaluating all analyses, it was determined that the ligands and Al incorporation element used in the preparation of hydrothermal precursor solutions had a strong effect on the structural, optical, surface and electrochemical properties, as well as corrosion resistance and dye loading capacities of ZnO nanorod arrays grown on ZnO seed layers with the same properties. Besides, it was concluded that the factors that limit the potential of undoped ZnO nanostructured films as photoanode can be minimized by doping Al element at a constant rate and/or using hexamethylenetetramine-hexamethylenediamine ligand mixture.caktır