Tio2 mesoporous/zno nanotel tabanlı tandem (katmanlı) nano yarıiletkenlerin üretilerek optoelektronik özelliklerinin incelenmesi ve boya ile duyarlı fotovoltaik hücrelerin üretilmesi
Investigation of optoelectronic properties by producing tio2 mesoporous / zno nanotel based tandem (layered) nano semiconductor and producing dye-sensi̇ti̇zed solar cell
Yazar: VOLKAN ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. BAYRAM KILIÇ
Yalova Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Boya ile Duyarlı Hale getirilmiş Fotovoltaik Hücreler (DSSC); yeni bir dizayn ve metotla grafen tabanlı altlık üzerine TiO2 mesoporous (mesogözenekli) yapılar içerisine bir boyutlu (1D) ZnO nanowires'ların büyütülmesi ile üretilmiştir. FTO (Fluorine-doped Tin Oxide) taban malzeme üzerine tek tabaka grafen nano tabakaların sentezlenmesi ile DSSC'lerde foto-elektron dönüşüm verimini sınırlayan standart TCO(saydam iletken oksit) taban malzeme problemi ortadan kaldırılmıştır. Grafen kaplı taban malzemesi üzerine standart DSSC'lerden farklı olarak TiO2 mesoporous/ZnO nanowire tandem nano-yarıiletkenleri büyütülerek fotovoltaik hücre verimi incelenmiş ve standart FTO tabanlı (grafensiz) DSSC ile verim kıyaslaması yapılmıştır. Yapısal, optiksel ve termal karakterizasyon SEM, XRD, EDAX, DTG, TG, PL ve UV-Vis soğurma spektroskopileri ile gerçekleştirilmiştir. J-V ve IPCE ile de fotovoltaik hücre verimi ve kuantum verimleri (QE) incelenmiştir. XRD karakterizasyonu, grafen tabanlı TiO2/ZnO tandem nano-yarıiletkeninin tüm difraksiyon (kırınım) piklerinin hekzagonal wurtzite ZnO ve TiO2 anatase yapıda olduğu ve yüksek kristal kalitesinde olduğu net bir şekilde gösterilmiştir. UV-Vis soğurma spektroskopoisi ile tandam nanoyapıların bant aralığı 3.13 eV olarak gösterilmiştir. Grafen/TiO2/ZnO hibrit yarıiletkenlerinin fotovoltaik performansı; FTO/TiO2/ZnO hibrit yarıiletkeni ile ve standart DSSC uygulamalarındaki FTO/TiO2 mesoporous ve FTO/ZnO nanowire yarıiletkenleri ile ayrı ayrı kıyaslanarak hem taban malzeme hem de fotoanot malzemesi için en uygun ve en yüksek hücre verimi belirlenmeye çalışılmıştır.  Grafen/TiO2/ZnO hibrit yapılar ile elde edilen DSSC'lerde hücre verimi ƞ= %8.7, Jsc= 21.3 mA/cm3, Voc=0.78V ve FF=0.53 olarak elde edilmiş ve FTO/TiO2/ZnO hibrit yapılarla kıyaslandığında verimin %30 daha fazla olduğu gösterilmiştir. Sonuçlar açıkça göstermiştir ki taban malzemenin yüzeyinin grafenle kaplanmasıyla taban malzeme üzerinden karşıt elektrota yüksek elektron transferi sağlanmış, fotoanot malzemesinin TiO2/ZnO hibrit yapılar ile oluşturulmasıyla da numune yüzeyinde yüksek yüzey hacim alanı elde edilmiş ve elektron transferi direkt ve rekombine olmadan sağlanmıştır.

Abstract:
Dye Sensitized Solar Cell were produced with innovative design and a new method which is growth of one dimensional (1D) ZnO nanowire within TiO2 mesoposous on graphene substrate. Standard TCO (Transparent Conductive Oxide) problem in DSSC which is limiting photo-electron conversion efficiency were removed with monolayer graphene synthesis on FTO (F: SnO2) substrate. Solar Conversion Efficiency was investigated by growth of TiO2 mesoporous/ZnO nanowire tandem nano-semiconductors on graphene covered substrate as different conventional DSSC and it was compared with FTO based substrate. Structural, optical and thermal characterization were  carried out by using SEM, XRD, EDAX, DTG, TG, PL and UV-Vis absorption spectroscopy. Solar conversion efficiency and quantum efficiency (QE) were examined by J-V and IPCE measurements. XRD characterization shows that the all diffraction peaks of the tandem nanostructures films can be well indexed to a mixture of hexagonal wurtzite ZnO and anatase TiO2 structures. The UV–Visible absorbance spectrum indicates that the tandem nanostructures based on TiO2 mesoporous/ZnO nanowire arrays have 3.13 eV band gap energy. Photovoltaic performance of Graphene/TiO2/ZnO hybrid semiconductors, FTO/TiO2/ZnO, pure FTO/TiO2 and pure FTO/ZnO were compared each other and the most useful materials as substrate and photo anode were determined. Solar conversion efficiency of Graphene/TiO2/ZnO hybrid based DSSC were obtained as ƞ= %8.7,Jsc= 21.3 mA/cm3, Voc=0.78V and FF=0.53 and it was shown that graphene based DSSC have much higher solar conversion efficiency 30%  FTO/TiO2/ZnO. As a result, electron transport increase to counter electrode when graphene covered on substrate, In addition, high surface area were obtained on substrate by growth TiO2/ZnO hybrid structures which enable direct electron transfer without recombination.