CuxBiyTez nanofilmlerin elektrokimyasal potansiyel altı kodepozisyon metodu ile sentezi, karakterizasyonu ve potansiyel güneş pili uygulamasının araştırılması
Synthesis of CuxBiyTez nanofilms via electrochemical codeposition method, characterization and investigation of potential solar cell application
Yazar: MURAT BUĞRA KARAKUZU
Danışman: DOÇ. DR. GÜLÇİN BOLAT TOPÇU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Üçlü bakır temelli kalkojenitler CuxByCz (B = Sb, Bi; C = S, Se, Te) bant aralığı kontrolü ve opto/elektronik özellikler üzerinde etkili olan bileşim, yapı ve morfoloji açısından esneklik sunmaları bakımından modern elektronik, enerji depolama ve biyomedikal cihazlar için önemli bir malzeme sınıfıdır. Bu bileşiklerin bileşim ve boyut kontrollü sentezi ise aşılması gereken en önemli zorluklardan biridir. Bu nedenle bu bileşiklerin büyüme sürecinin atomik düzeyde kontrolünü sağlayan, maliyeti düşük, uygulaması kolay tekniklerin araştırılması önem arz etmektedir.
Bu tez çalışmasında, bir üçlü bakır kalkojenit bileşiği olan CuxBiyTez nanofilmin potansiyel altı depozisyon temelli (UPD) elektrokimyasal kodepozisyon tekniği (UPCD) ile sentezi literatürde ilk defa araştırılmıştır. Çalışmanın ilk basamağında 0,05 M KCl - 0,4 M HCl ortamında altın (Au) elektrotta Cu, Bi ve Te'nin herbiri için yığın ve UPD bölgesindeki elektrokimyasal davranışları dönüşümlü voltametri (CV) yöntemiyle ortaya konulmuştur. Ardından, CuxBiyTez bileşiğinin Au elektrot üzerine UPD kodepozisyonu için Cu, Bi ve Te kaynağını içeren tek çözeltide elementlerin eş zamanlı olarak biriktirilmesi (kodepozisyon) için en uygun derişim oranı ve UPD biriktirme potansiyeli belirlenmiştir. Tez çalışmasının sonraki aşamasında, UPCD metodu ile sentezlenmiş olan CuxBiyTez bileşiğinin karakterizasyonu amacıyla çeşitli spektrokimyasal teknikler kullanılmıştır. Bu amaçla, CuxBiyTez deneysel olarak bulunan optimum UPD potansiyelinde (0,075 V Ag/AgCl'ye karşı) Au elektrot ve ITO kaplı PET substratlar üzerinde biriktirilmiştir. Ayrıntılı karakterizasyon çalışmalarıyla bileşiğin yapısı, stokiyometrisi, morfolojisi, bant genişlikleri ve elektriksel özellikleri belirlenmiştir. X-ışınları kırınımı (XRD) sonuçları, elde edilen bileşiğin rhombohedral bir kristal yapı sergilediğini göstermiştir. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizi ile bileşiğin stokiyometrik bileşimi, Cu, Bi ve Te için 8:1:9 olarak belirlenmiştir. Raman Spektroskopisi kullanılarak CuxBiyTez bileşiğine ait elde edilen spektrumda 150 cm-1ve 300 cm-1 dalga sayılarında iki adet titreşim modu kaydedilmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri Au substrat üzerine depozit edilen CuxBiyTez'nin partikül boyutunun yaklaşık 10 nm civarında granüler kristalitlere sahip olduğunu ve elde edilen filmin homojen, nano boyutta ve iki boyutlu oluştuğunu kanıtlamıştır. Ultraviyole ve görünür bölge spektroskopisi (UV-Vis) ile optik bant genişliği değeri 2,12 eV olarak hesaplanmıştır. Ayrıca indiyum kalay oksit (ITO) üzerine kaplanan CuxBiyTez için akım-voltaj (I-V) deneyi normal ışık altında gerçekleştirilerek elektriksel özellikleri belirlenmiştir. Bu çalışma, ucuz bir yol sunan ve farklı opto/elektronik uygulamalarda kullanılmak üzere yarıiletken nanofilmlerin yapımına olanak sağlayan UPD tabanlı kodepozisyon yöntemiyle CuxBiyTez ince filmlerinin üretilmesi başarıyla ortaya koymuştur. Tezin en son aşamasında, sentezlenen n- tipi bir malzeme olan CuxBiyTez bileşiğinin p-tipi Cu-Te bileşiği ile p-n yapıda heteroeklemleri oluşturularak iki farklı güneş pili prototipi geliştirilmiş ve fotovoltaik özelliği incelenmiştir.

Abstract:
The ternary copper-based chalcogenides CuxByCz (B = Sb, Bi; C = S, Se, Te) is an important class of materials for modern electronics, energy storage, and biomedical devices as they offer flexibility in composition, structure and morphology, which has an influence on band gap control and opto/electronic properties. Composition and size controlled synthesis of these compounds is one of the most important challenges. Therefore, development of low-cost, easy-to-apply techniques that provide control over the growth process of these compounds at the atomic level is so crucial.
In the scope of this thesis, synthesis of CuxBiyTez nanofilm, a ternary copper chalcogenide compound, by using underpotential deposition (UPD) based electrochemical codeposition technique (UPCD) was investigated for the first time in the literature. First, the electrochemical behavior of Cu, Bi and Te on gold (Au) electrode in 0.05 M KCl – 0.4 M HCl electrolyte solution in the bulk and UPD regions were demonstrated by cyclic voltammetry (CV) method. Then, the optimum concentration ratio and UPD deposition potentials were determined for simultaneous deposition (codeposition) of elements in a single solution containing Cu, Bi and Te sources via UPCD to form CuxBiyTez compound on Au electrode. Next, various spectrochemical techniques were utilized for the characterization of the CuxBiyTez compound. For this purpose, CuxBiyTez was deposited on Au and ITO coated PET substrates at the optimum UPD potential (vs. 0.075 V Ag/AgCl). The structure, stoichiometry, morphology, bandwidth and electrical properties of the compound were determined by detailed characterization studies. X-ray diffraction (XRD) results showed that the obtained compound exhibited a rhombohedral crystal structure. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis verified that the stoichiometric composition of the compound was 8:1:9 for Cu, Bi and Te, respectively. Vibration modes at wave numbers of 150 cm-1 and 300 cm-1 were recorded for the CuxBiyTez compound using Raman Spectroscopy. Scanning electron microscopy (SEM) images proved that CuxBiyTez deposited on Au substrate were as granular crystallites with a particle size of about 10 nm, and the obtained film was homogeneous, nano-sized and two-dimensional. Ultraviolet and visible spectroscopy (UV-Vis) measurements revelaed the optical bandgap of the nanofilm as 2.12 eV. Moreover, the current-voltage (I-V) characteristics of CuxBiyTez coated on indium tin oxide (ITO) was tested under normal light to evalute the electrical propertiesof the synthesized film. This study successfully demonstrated the formation of CuxBiyTez thin films by UPD-based codeposition method, which offers an inexpensive way and allows the production of semiconductor nanofilms for use in different opto/electronic applications. Finally, the development of a solar cell prototype was demonstrated by forming heterojunctions two different solar cell prototypes were developed by forming p-n heterojunctions between the synthesized n-type material CuxBiyTez with p-type Cu-Te compound, and their relevant photovoltaic properties were investigated.