ZnO/ERGO Nanokompozit Elektrotların PbS, PbTe, Bi2Te3, PbS/CdS, PbTe/CdS ve Bi2Te3/CdS Kuantum parçacıklar ile dekore edilmesi, karakterizasyonu ve QDSSC'lerde uygulamaları
Decoration of ZnO/ERGO nanocomposite electrodes with PbS, PbTe, Bi2Te3, PbS/CdS, PbTe/CdS, and Bi2Te3/CdS quantum dots, characterization and applications in QDSSC
Yazar: EFTADE PINAR GÜR
Danışman: PROF. DR. ÜMİT DEMİR
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Amaç: Bu tez çalışması kapsamında, tek kademede grafen oksit (GO) ve çinko oksitin (ZnO) substrat yüzeyinde indirgenmesi ile elde edilen ZnO/ERGO nanokompozit yapısına bileşik yarıiletken kuantum parçacıkların (PbS, PbTe, Bi2Te3, PbS/CdS, PbTe/CdS ve Bi2Te3/CdS) dekore edilmesi ve elde edilen QD dekore kompozit elektrotların kuantum parçacık duyarlı güneş hücreleri (QDSSC) uygulamalarında daha yüksek performans sağlayan fotoanot elektrotlar olarak kullanılması amaçlandı.
Yöntem: Zn2+ iyonlarını ve GO süspansiyonunu içeren sulu çözeltide elektrokimyasal ko-depozisyon yöntemi ile belirlenen ortak indirgenme potansiyeli kullanılarak, ZnO/ERGO nanokompozit yapıları FTO substrat yüzeyinde tek kademede ve aynı hücrede eş zamanlı olarak sentezlendi. ZnO/ERGO kompozit yapılar üzerine QD modifikasyonu için elektrokimyasal ko-depozisyon, ardışık iyonik tabaka adsorpsiyon ve reaksiyonu (SILAR) ve atomik tabaka depozisyon (ALD) ile iyonik tabaka adsorpsiyon ve reaksiyon (ILAR) yöntemlerinin birleşiminden oluşan (ALD-ILAR) sentez yöntemleri kullanıldı. ERGO/ZnO/QD fotoelektrotları XRD, XPS, EDS, TEM, FE-SEM, UV-Vis Absorpsiyon, PL ve EIS teknikleri kullanılarak yapısal, morfolojik, optiksel ve fotoelektrokimyasal olarak karakterize edildi. Son olarak hazırlanan ERGO/ZnO/QD fotoanotlar ile farklı elektrolit ve farklı karşıt elektrotlar kullanılarak güneş pili prototipleri tasarlandı. Hazırlanan güneş pili aygıtlarının güç dönüşüm verimleri ve kuantum verimleri I-V ve IPCE teknikleri kullanılarak karakterize edildi.
Bulgular: Hazırlanan ERGO/ZnO/QD tabanlı güneş pillerinde en yüksek güç dönüşüm verimi %5,85'lik değer ile ERGO/ZnO/PbS/CdS tabanlı güneş pilinde elde edildi. ERGO/ZnO/PbS, ERGO/ZnO/PbTe, ERGO/ZnO/Bi2Te3, ERGO/ZnO/PbTe/CdS ve ERGO/ZnO/Bi2Te3/CdS tabanlı güneş pilleri sırasıyla %1,16, %2,17, %2,07, %3,27 ve %2,25'lik dönüşüm verimi performansı sergiledi.
Sonuç: İyi tasarlanmış ERGO/ZnO/PbS, ERGO/ZnO/PbTe, ERGO/ZnO/Bi2Te3, ERGO/ZnO/PbS/CdS, ERGO/ZnO/PbTe/CdS ve ERGO/ZnO/Bi2Te3/CdS fotoanotları başarılı bir şekilde sentezlendi ve QDSSC uygulamaları için yüksek kararlılık ve fotoaktiviteye sahip umut vadeden materyaller olduğu analitik ve deneysel teknikler kullanılarak belirlendi.

Abstract:
Purpose: This thesis aimed to incorporate semiconductor quantum dots (PbS, PbTe, Bi2Te3, PbS/CdS, PbTe/CdS and Bi2Te3/CdS) into a ZnO/ERGO nanocomposite structure, achieved through the electrochemically reduced of graphene oxide (GO) and zinc oxide (ZnO) on the substrate surface in a one-pot. The resulting quantum dots (QDs) decorated nanocomposite electrodes were targeted for use as photoanodes to enhance performance in quantum dots sensitized solar cell (QDSSC) applications.
Method: Utilizing electrochemical co-deposition with aqueous solutions containing Zn2+ ions and graphene oxide suspension, ZnO/ERGO nanocomposite structures were synthesized on the FTO substrate surface in a one-pot and within the same cell. For the decoration of QDs on ZnO/ERGO nanocomposite structures, a hybrid approach involving electrochemical co-deposition, sequential ionic layer adsorption and reaction (SILAR), and a combination of atomic layer deposition (ALD) and ionic layer adsorption and reaction (ILAR) methods, referred to as (ALD-ILAR), was employed. Structural, optical, and photoelectrochemical analyses of ERGO/ZnO/QDs photoelectrodes were conducted using XRD, XPS, EDS, TEM, FE-SEM, UV-Vis Absorption, PL, and EIS techniques. Finally, solar cell prototypes were developed using prepared ERGO/ZnO/QDs photoanodes, various electrolytes, and counter electrodes. Power conversion efficiencies and quantum efficiencies of the solar cell devices were characterized using I-V and IPCE techniques.
Findings: The ERGO/ZnO/QD-based solar cells achieved the highest power conversion efficiency (5.85%) in the ERGO/ZnO/PbS/CdS-based solar cell. ERGO/ZnO/PbS, ERGO/ZnO/PbTe, ERGO/ZnO/Bi2Te3, ERGO/ZnO/PbTe/CdS, and ERGO/ZnO/Bi2Te3/CdS-based solar cells demonstrated conversion efficiencies of 1.16%, 2.17%, 2.07%, 3.27% and 2.25%, respectively.
Results: Well-designed ERGO/ZnO/PbS, ERGO/ZnO/PbTe, ERGO/ZnO/Bi2Te3, ERGO/ZnO/PbS/CdS, ERGO/ZnO/PbTe/CdS, and ERGO/ZnO/Bi2Te3/CdS photoanodes were successfully synthesized. Analytical and experimental techniques confirmed their promise as materials with high stability and photoactivity for Quantum Dot Sensitized Solar Cell (QDSSC) applications.