Organik-inorganik hibrit yarı iletken fotodiyotların geliştirilmesi
Production of organic-inorganic semiconductor hybrid photodiodes
Yazar: FEHMİ ASLAN
Danışman: PROF. DR. HİKMET ESEN ; PROF. DR. FAHRETTİN YAKUPHANOĞLU
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yenilenebilir Enerji Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada sol-jel metotla sentezlenen farklı coumarin konsantrasyonlarında Coumarin: ZnO, Coumarin:CdO ve Coumarin:TiO2 ince filmleri p-Si üzerine damla döküm teknik ile oluşturulmuştur. Farklı coumarin konsantrasyonlarında üretilen filmlerin morfolojik analizi taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen ZnO, CdO ve TiO2 tozlarının yapısal ve optik analizi sırasıyla X ışını difraktometresi (XRD) ve ultraviyole görünür ışık absorbsiyon spektrofotometresi ile kontrol edilmiştir. ZnO, CdO ve TiO2 nano tozlarının yüksek yoğunlukta iyi kristalleştiği ve yasak enerji aralıklarının sırasıyla 3.070, 2.31 ve 3.219 eV olduğu belirtilmiştir. Bunun yanında coumarin katkılamanın, üretilen Al/Coumarin: ZnO/p-Si/Al, Al/Coumarin: CdO/p-Si/Al ve Al/Coumarin:TiO2/p-Si/Al fotodiyotlarının elektriksel özelliklerini ne ölçüde değiştirdiği araştırılmıştır. Farklı coumarin konsantrasyonlarında üretilen organik-inorganik hibrit numunelerin fotodiyot özellikleri,  20 ile 100 mW/cm2 arasında değişen ışık yoğunlukları altında Akım-Gerilim (I-V) karakteristikleri ile çalışılmıştır. Üretilen tüm fotodiyotların hesaplanan doğrultma oranı değerleriyle mükemmel doğrultucu özellik sergilediği vurgulanmıştır. Ayrıca üretilen tüm fotodiyotların karanlık şartlar altındaki fotoakımının aydınlık şartlar altındakinden daha küçük olduğu görülmüştür. Farklı coumarin katkılama oranları için LogIph-LogP çizgilerinden elde edilen m değerleri, tüm diyotların fotoiletken davranış sergilediğini göstermiştir. Ayrıca devre elemanlarının geçici Fotoakım-Zaman (I-t) karakterisitkleri üretilen fotodiyotların ışığa duyarlı olduğunu göstermiştir. Devre elemanlarının elektriksel davranışları Kapasite-Voltaj (C-V) ve İletkenlik-Voltaj (G-V) ölçümleri ile farklı frekanslarda araştırılmıştır. Frekans arttıkça kapasitenin azaldığı, iletkenliğin ise arttığı tespit edilmiştir. Bu durum üretilen numunelerin arayüz durumlarının varlığı ile açıklanmıştır. Devre elemanlarının seri direnç (Rs) ve arayüz durum yoğunluğu (Dit) değerlerinin frekansa ve coumarin konsantrasyonuna önemli ölçüde bağlı olduğu anlaşılmıştır. Elde edilen yapısal ve elektriksel karakterizasyon sonuçları üretilen tüm devre elemanlarının optoelektronik uygulamalarda optik sensör veya fotodiyot olarak kullanılabileceğini doğrulamıştır.

Abstract:
In this study, coumarin weight ratios of Coumarin: ZnO, Coumarin: CdO and Coumarin:TiO2 thin films synthesized by sol-gel method were formed by drop casting technique on p-Si. Morphological analysis of films produced at different coumarin weight ratios was performed with Scanning Electron Microscopy (SEM). Structural and optical analysis of synthesized ZnO, CdO and TiO2 powders were checked by X-ray diffractometer (XRD) and UV-Visible, respectively. ZnO, CdO and TiO2 nano powders were highly crystallized at high density and the forbidden energy ranges were 3.070, 2.31 and 3.219 eV, respectively. In addition, the effect of coumarin addition on the electrical properties of the Al/Coumarin:ZnO/p-Si/Al, Al/Coumarin:CdO/p-Si/Al and Al/Coumarin:TiO2/p-Si/Al photodiodes produced was investigated. The photodiode properties of organic-inorganic hybrid samples produced at different coumarin weight ratios were studied with Current-Voltage (I-V) characteristics under light intensities ranging from 20 to 100 mW/cm2. It was emphasized that all photodiodes produced had excellent rectifier properties with calculated rectification ratios. In addition, it was observed that the photocurrent of all photodiodes produced was smaller in dark conditions than under illumunated conditions. m values obtained from LogIph-LogP lines for different coumarin doping ratios showed that all diodes exhibited photoconductivity behavior. In addition, the transient Photocurrent-Time characteristics of the devices showed that the photodiodes produced were light-sensitive. The electrical behavior of the devices was investigated at different frequencies with Capacity-Voltage (C-V) and Conductivity-Voltage (G-V) measurements As the frequency increases, the capacity decreases and the conductivity increases. This was explained by the presence of the interface states of the samples produced. It was found that the series resistance (RS) and interface state density (Dit) values of the devices were significantly dependent on frequency and coumarin concentration. The obtained structural and electrical characterization results confirmed that all the devices produced can be used as optical sensors or photodiodes in optoelectronic applications.