Fotovoltaik uygulamalar için Ce katkılı ZnO nanoyapıların sentezi ve UV zırhlama kabiliyetlerinin incelenmesi
Synthesis and investigation of UV shielding capabilities of Ce doped ZnO nanostructures for photovoltaic applications
Yazar: YUSUF ÖZPOLAT
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN ALGÜN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, çinko oksit (ZnO) nano yapılı ince filmin, seryum (Ce) katkı konsantrasyonuna bağlı olarak UV zırhlama karakterlerindeki değişim incelenmiştir. ZnO ve Ce katkılı ZnO (CZO) nanoparçacıkları, sol-jel yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. ZnO içindeki Ce katkı konsantrasyonu %0, 1, 2, 3, 4, 5 ve 10 mol olacak şekilde ayarlanmıştır. ZnO ve CZO nano yapılı ince filmler, cam altlıklar üzerinde spin kaplama tekniği ile üretilmiştir. X-ışını kırınım analizlerine göre tüm nanoyapılar, (002) düzlemi boyunca tercihli yönelime ve altıgen wurtzite kristal yapısına sahiptir. Enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi, nanoyapılardaki çinko, oksijen ve seryum elementlerinin varlığı doğrulanmıştır. Taramalı elektron mikroskobu görüntüleri, nanoyapıların yüzeylerinin, homojen dağılmış nano boyutlu tanelere ve gözeneklere sahip olduklarını göstermiştir.  UV-Vis spektroskopisi, tüm CZO nanoyapılarının görünür bölgede % 90'nın üzerinde yüksek optik geçirgenliğe sahip olduğunu ortaya koymuştur. ZnO kafesinde Ce konsantrasyonunun artması, CZO nanoyapılarının optik bant aralığında azalmaya yol açmıştır. En düşük optik bant aralığı değeri, %10 mol Ce katkılı ZnO nanoyapısı için 3.16 eV'dur.  CZO nanoyapılar içerisinde CZO4 nanoyapısı, katkısız ZnO nanoyapısına göre, UVA bölgesinde % 4.68, UVB bölgesinde % 19.79 daha iyi UV zırhlama oranları sahiptir. Bu çalışma, CZO nanoyapılarının optik uygulamalar için yüksek potansiyelinin olduğunu ve özellikle fotovoltaik uygulamalarda UV zırhlayıcı malzeme olarak uygunluğunu ortaya koymaktadır.

Abstract:
In this thesis, the change in UV shielding characteristics of zinc oxide (ZnO) nanostructured thin film depending on cerium (Ce) doping concentration was investigated. ZnO and Ce doped ZnO (CZO) nanoparticles were synthesized using sol-gel method. Ce doping concentration in ZnO was adjusted as 0, 1, 2, 3, 4, 5 and 10 mol%. ZnO and CZO nanostructured thin films were produced on glass substrates by spin coating technique. According to X-ray diffraction analysis, all nanostructures have preferential orientation along the (002) plane and hexagonal wurtzite crystal structure. Energy dispersive X-ray spectroscopy confirmed the presence of zinc, oxygen and cerium elements in the nanostructures. Scanning electron microscope images showed that the surfaces of the nanostructures have homogeneously distributed nano-sized grains and pores. UV-Vis spectroscopy revealed that all CZO nanostructures had high optical transmittance above 90% in the visible region. Increasing Ce concentration in the ZnO lattice led to a decrease in the optical band gap of CZO nanostructures. The lowest optical band gap value was 3.16 eV for 10 mol% Ce doped ZnO nanostructure. Among the CZO nanostructures, CZO4 nanostructure had 4.68% better UV shielding rates in the UVA region and 19.79% better UVB region compared to the undoped ZnO nanostructure. This study revealed that CZO nanostructures have high potential for optical applications and are particularly suitable as UV shielding materials in photovoltaic applications.