Elektrokimyasal olarak indirgenmiş grafen oksit (ERGO)-TiO2 nanokompozit elektrotların hazırlanması ve boya duyarlı güneş pillerinde (DSSC'lerde) fotoanot olarak kullanılması
Fabrication of electrochemically reduced graphene oxide (ERGO)-TiO2 nanocomposite electrodes for dye sensitized solar cells (DSSC) as photoanode
Yazar: ZEYNEP SELİN BAŞARAN
Danışman: PROF. DR. ÜMİT DEMİR
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry
Dizin: Elektrokimyasal depolama = Electrochemical deposition ; Grafen oksit = Graphene oxide ; Güneş pilleri = Solar cells ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide

Özet:
Boya duyarlı güneş pillerinde (DSSC'lerde) fotoanot olarak kullanılmak üzere, 3-boyutlu sıra düzenli TiO2/elektrokimyasal indirgenmiş grafen oksit (TiO2/ERGO) nanokompozitler, oda sıcaklığında grafen oksit (GO) ve Ti4+ iyonlarını içeren sulu bir çözeltiden basit, ucuz ve çevre dostu bir yöntem olan tek basamaklı elektrokimyasal ko-depozisyon ile flor katkılanmış kalay oksit (FTO) cam elektrot yüzeyinde eş zamanlı olarak sentezlendi. Üretilen ERGO/TiO2 nanokompozit filmlerin yapısal ve morfolojik özellikleri X-ışını kırınımı (XRD), X-ışını fotoelektron spektroskopi (XPS), Enerji dağılımlı X-ışını spektroskopi (EDS) ve Taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile karakterize edildi. Güneş ışınlarının UV-görünür ve IR bölgesinden maksimum ışık hasadı sağlamak için ERGO/TiO2 nanokompozit filmleri ticari N719 ve RK1 boyaları ile duyarlılaştırıldı. Hazırlanan filmlerin optik özellikleri UV-Vis Spektroskopisi ile analiz edildi. Fotovoltaik parametrelerinin belirlenmesi için standart ışıklandırma altında (A.M1.5G) J-V ölçümleri alındı. 0,5 mM N719 ve RK1 boya çözeltilerine 12 saat boyunca daldırılan elektrotların en yüksek güç dönüşüm verimini sergiledikleri görüldü. N719 boyası için, 9,65 mA/cm2 akım yoğunluğu ve 850 mV açık devre potansiyeli (VOC) veren elektrotun güç dönüşüm verimi 3,53%'e ulaştı. RK1 boyası için ise, 12,83 mA/cm2 akım yoğunluğu ile 700 mV VOC gösteren elektrot 4,94% güç dönüşüm verimi sergiledi. ERGO'nun çarşaf benzeri yapısı ile TiO2 nanopartikül yapıların birleşmesi ile hazırlanan ve boya ile duyrarlılaştırılan elektrotlar, saf TiO2 filmleri ile karşılaştırıldığında önemli derecede yüksek güç dönüşüm verimi gösterdi. Artan güç dönüşüm verimi, ERGO'nun yüksek yüzey alanı sebebiyle üzerinde daha fazla TiO2 nanopartikül biriktirilmesine olanak sağlamasına ve ERGO'nun hızlı yük transferinden dolayı rekombinasyon hızını düşürmesine atfedilebilir.

Abstract:
3-dimensional hierarchical TiO2/electrochemically reduced graphene oxide (TiO2/ERGO) nanocomposites were synthesized on fluorine-doped tin oxide (FTO) by one-pot electrochemical co-deposition method that is simple, cheap and environmental-friendly from an aqueous mixture containing graphene oxide (GO) and Ti+4 ions simultaneously at room temperature for using as photoanodes in dye-sensitized solar cells (DSSCs). The structural and morphological properties of ERGO/TiO2 nanocomposite films were characterized by X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and Scanning electron microscope (SEM). ERGO/TiO2 nanocomposite films were sensitized with commercial N719 and RK1 dyes to ensure maximum light harvesting from the UV-visible and NIR region of spectrum of sunlight. Optical properties were analyzed by UV-Vis Spectroscopy. J-V measurements were performed under standard (AM1.5 G) 1 sun illumination to determine the photovoltaic parameters. It was observed the electrodes immersed in 0,5 mM N719 and RK1 dye solutions for 12 hours exhibited the highest power conversion efficiency (PCE). For N719, PCE of the electrode, which gave a current density of 9,65 mA/cm2 and an open circuit potential (VOC) of 850 mV, reached 3,53%. For RK1,  electrode showing VOC of 700 mV with JSC of 12,83 mA/cm2 showed a PCE of 4,94%. The electrodes prepared by TiO2 nanoparticule decorated with the sheet-like structure of ERGO showed significantly higher PCE compared to bare TiO2 films. The efficiency enhancement can be attributed to the fact that ERGO allows more TiO2 nanoparticles to be deposited on it due to its high surface area and ERGO reduces the recombination rate owing to its high charge transfer.