BiSbTe ve BiTeSe termoelektrik malzemelerine çeşitli katkılamaların termoelektrik özelliklere etkisinin incelenmesi
Investıgatıon of effect of varıous dopıngs on the thermoelectrıc propertıes ın BiSbTe and BiTeSe thermoelectrıc materıals
Yazar: SENEM SARITAŞ BATAN
Danışman: PROF. DR. ŞİNASİ BARIŞ EMRE
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Küresel enerji taleplerinin artması ve iklim krizi, fosil yakıt tabanlı enerji kaynaklarının azaltılması için alternatif enerji teknolojilerinin geliştirilmesini kritik hale getirmektedir. Termoelektrik enerji dönüşüm teknolojileri, termoelektrik güç üretimi ve soğutma uygulamaları gibi yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılmaktadır. Termoelektrik malzemelerin verimliliğinin artırılması sürdürülebilir enerji yönetimi ve alternatif yenilenebilir enerji dönüşüm teknolojilerine önemli katkılar sağlayacaktır. Bi2Te3 tabanlı termoelektrik malzemeler oda sıcaklığı yakınlarında üstün termoelektrik özellik göstermekte olup termoelektrik enerji dönüşüm teknolojileri uygulamalarında kullanılmaktadırlar. Bi2Te3 tabanlı malzemeler kompozisyonsal değişikler ve çeşitli katkılamalar ile n-tipi Bi2(Te,Se)3 ve p-tipi (Bi,Sb)2Te3 özellik göstermektedirler. Bu tez çalışmasında, p-tipi Bi0.5Sb1.5Te3 ve n-tipi Bi2Te2.2Se0.8 alaşımlarına farklı oranlarda Grafen katkısının ve soğuk izostatik pres basıncının yapısal ve termoelektrik özelliklere olan etkisi incelenmiştir. Alaşımlar katı hal yöntemi ile Ar atmosferi altında sinterleme fırınında üretilmiştir. Toz haline getirilen hacimsel alaşımlara farklı oranlarda Grafen katkısı yapılarak soğuk pres (Cold Pres, CP) ve soğuk izostatik pres (Cold Isostatic Pres, CIP) ile örnekler üretilmiştir. Örneklerin kompozisyon ve yapısal analizleri Taramalı Elektron mikroskobu (SEM), Enerji Dağılımlı X-ışını (EDX) ve X-ışını Kırınım (XRD) deneyleri ile incelenmiştir. Arşimet yöntemi ile yoğunlukları belirlenen örneklerde CIP prosesi ile yoğunluğun büyük oranda arttığı gözlenmiştir. Termoelektrik özelliklerinin analizi için elektriksel iletkenlik, Seebeck katsayısı, Hall etkisi ve ısısal iletkenlik analizleri gerçekleştirilmiştir. En büyük termoelektrik güç faktörü CIP yapılan örneklerde n- tipi Bi2Te2.2Se0.8 alaşımı için 1.3 mW/mK2, p-tipi Bi0.5Sb1.5Te3 alaşımı için 3.2 mW/mK2 olarak elde edilmiştir. Termoelektrik değer parametresi ZT CIP ile üretilen n- tipi Bi2Te2.2Se0.8 alaşımda % 67 artarak 0.9, p-tipi Bi0.5Sb1.5Te3 alaşımında %32 artarak 2.1 olarak elde edilmiştir.

Abstract:
Increasing global energy demands and the climate crisis make the development of alternative energy technologies critical for the reduction of fossil fuel-based energy sources. Thermoelectric energy conversion technologies are used in renewable energy technologies such as thermoelectric power generation and cooling applications. Increasing the efficiency of thermoelectric materials will make significant contributions to sustainable energy management and alternative renewable energy conversion technologies. Bi2Te3-based thermoelectric materials demonstrate superior thermoelectric properties near room temperature and have been utilized in thermoelectric energy conversion technologies. Bi2Te3-based materials show n-type Bi2(Te,Se)3 and p-type (Bi,Sb)2Te3 properties with compositional alterations and various dopings. In this thesis, the effect of different ratios of graphene doping and cold isostatic pressures on the structural and thermoelectric properties of p-type Bi0.5Sb1.5Te3 and n-type Bi2Te2.2Se0.8 alloys were investigated. The alloys were produced by the solid state method using a sintering furnace under Ar atmosphere. Samples were produced by cold press (Cold Press, CP) and cold isostatic press (Cold Isostatic Press, CIP) by doping different ratios of Graphene to the powdered bulk alloys. The composition and structural analysis of the samples were investigated by Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray (EDX) and X-ray Diffraction (XRD) experiments. It was observed that the density of the samples increased significantly with the CIP process, whose densities were determined by the Archimedes method. Electrical conductivity, Seebeck coefficient, Hall effect and thermal conductivity analyses were performed to analyze the thermoelectric properties. The largest thermoelectric power factor was obtained as 1.3 mW/mK2 for n-type Bi2Te2.2Se0.8 alloy and 3.2 mW/mK2 for p-type Bi0.5Sb1.5Te3 alloy. The thermoelectric value parameter increased by 67% to 0.9 for n-type Bi2Te2.2Se0.8 alloy and increased by 32% to 2.1 for p-type Bi0.5Sb1.5Te3 alloy produced by CIP