Anodizasyon koşullarının gözenekli silisyum esaslı hidrojen pili parametrelerine etkisi
Effect of anodization conditions of porous silicon based hydrogen cell parameters
Yazar: EMİNE ESRA AĞCABAY
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÇİĞDEM ORUÇ LUŞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tezde boyutları nano mertebesinden mikro mertebesine kadar değişen ve verimli Metal-Gözenekli silisyum (GS) esaslı hidrojen pili yapılması hedeflenmiştir. 1960?lı yılların sonundan itibaren dünyanın her tarafında görülen hızlı nüfus artışı, kentleşme, sanayileşme, ısınma gibi durumlar artan bir elektrik tüketimini ve buna bağlı olarak da yakıt tüketimini beraberinde getirmiştir. Petrol fiyatlarının yükselmesi, kaynaklarının sınırlı olması ve çevre problemleri nedeniyle, petrol ve kömüre dayalı klasik yöntemlerle elektrik enerjisi üretimine alternatif olarak yenilenebilir kaynakların kullanımı gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Hidrojen enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde önemli ölçüde yer almaktadır. Gözenekli silisyum hidrojen pili bu tür kaynakların uygulamalarına örnek olarak verilmektedir. 
Gözenekli silisyum (GS), kristal yapılı, boşlukların nanometre/mikrometre boyutlu silisyum bir ağ ile çevrelenmiş ve geniş yüzey alanı (~103 m2cm-3) ile karakterize edilen, tek kristal silisyumdan elektrokimyasal anodizasyon yöntemi ile elde edilen bir malzemedir. Elektrokimyasal aşındırma (anodizasyon) ile üretilen gözenekli silisyumun (GS), aşındırma koşulları ve tek kristal silisyumun iletkenlik tipi, katkı konsantrasyonunun değiştirilmesi ile gözenek boyutlarının ayarlanabilir olması (mikrometre-nanometre) dikkat çekmektedir. Yapının gözenekliliği, Metal/Gözenekli Silisyum/Silisyum yapıların hidrojen pili olarak kullanılmasına yeni bir bakış açısı kazandırmıştır.


Gözenekli silisyumun üzeri çeşitli metallerle kaplanarak Metal/GS/Si yapılar üretilir. Metal/GS/Si elektriksel açıdan incelendiğinde Schottky tipi kontak özelliği gösterir. Bu yapı, farklı konsantrasyonlu,  hidrojen içeren sıvılara daldırıldıkları zaman kendiliğinden açık devre gerilimi (Voc) ve kısa devre akım yoğunluğu (Isc)  oluşturmaktadır. 
Metal-GS-Si yapı hidrojen içerikli bir sıvıya yerleştirildiğinde bir tür kondansatöre benzemektedir. Yapının metal kısmı H+ iyonlarını su moleküllerinden ayrıştırarak GS kısmında birikmeye zorlamakta, bu birikme Si kısmında elektron birikmesine neden olmaktadır. Metal ve Si `den birer kontak alınırsa bir potansiyel fark meydana gelmektedir. Bu bir açık devre gerilimidir (Voc). Açık devre geriliminin değişimi ortamdaki hidrojen miktarı ile orantılı olarak değişmektedir. Metal-Gözenekli Silisyum?Silisyum (Metal-GS-Si) yapının hidrojen pili olarak kullanımına izin vermektedir. 
Yapılmış olan tezde gözenekli silisyumun hazırlanma koşulları (anodizasyon şartları) değiştirilmiştir. Değiştirilen hazırlama koşulları ışık şiddeti, gözenekli silisyum oluşturma zamanı, kullanılan HF konsantrasyonu derişimi ve kullanılan akım yoğunluğudur. 
Gözenekli silisyum 15 mA/cm² lik akım yoğunluğu, 1:3 HF:dH?O çözeltisi kullanılarak, ışık kaynağı ile Si arasındaki uzaklık  8 cm tutularak ve anodizasyon süresi 5-10-25-40-55-70-90-120 dakika olacak şekilde değiştirilerek üretilmiştir. Bu şartlar altında oluşturulan GS örneklerin SEM analizleri yapılmıştır. Alınan kontaklar arasında potansiyel fark oluşturarak açık devre gerilimi ve kısa devre akımı ölçülmüştür. Bu şartlar altında ölçüm yapılan en ideal örnekte Voc=542mV ve Isc=34,2µA olarak belirlenmiştir.
Gözenekli silisyum 15 mA/cm² lik akım yoğunluğu, 1:3 HF:dH2O çözeltisi kullanılarak, anodizasyon süresi 55 dk sabit tutularak, ışık kaynağı ile Si arasındaki uzaklık 3-6-9-12-15-20-30 cm olacak şekilde değiştirilerek üretilmiştir. Bu şartlar altında oluşturulan GS örneklerin SEM analizleri yapılmıştır. Alınan kontaklar arasında potansiyel fark oluşturarak açık devre gerilimi ve kısa devre akımı ölçülmüştür. Bu şartlar altında ölçüm yapılan en ideal örnekte Voc=385mV ve  Isc=20µA olarak belirlenmiştir.
Gözenekli silisyum 1:3 HF:dH2O çözeltisi kullanılarak, anodizasyon süresi 55 dk, ışık kaynağı ile Si arasındaki uzaklık  8 cm sabit tutularak, akım yoğunluğu 4, 8, 12, 16, 20, 25, 30, 50 mA/ cm² olarak değiştirilerek oluşturulmuştur. Oluşan GS yapıların GS örneklerin SEM analizleri yapılmıştır. Alınan kontaklar arasında potansiyel fark oluşturarak açık devre gerilimi ve kısa devre akımı ölçülmüştür. Bu şartlar altında ölçüm yapılan en ideal örnekte Voc=170mV ve Isc=11,46 µA olarak belirlenmiştir.  
Gözenekli silisyum anodizasyon süresi 55 dk, ışık kaynağı ile Si arasındaki uzaklık 8 cm, akım yoğunluğu 15mA/ cm² sabit tutularak HF:dH2O çözeltisi 1:3, 1:5, 1:7, 1:10, 1:12, 1:15 olarak değiştirilerek oluşturulmuştur. Oluşan GS yapıların GS örneklerin SEM analizleri yapılmıştır.  Alınan kontaklar arasında potansiyel fark oluşturarak açık devre gerilimi ve kısa devre akımı ölçülmüştür. Bu şartlar altında ölçüm yapılan en ideal örnekte Voc=150mV ve  Isc=1,32 µA olarak belirlenmiştir.

Değiştirilen bu şartlar sayesinde gözenek boyutları değişmiştir. Elde edilen yapılar sonucunda da pilin gücünde artış gözlenmiştir.

Abstract:
In this thesis,  ranging from the state of the micro dimensions to the order of nano-porous silicon and efficient metal (PS) aim to develop cell-based hydrogen. Since the end of 1960?s around the world, the rapid population growth, urbanization, industrialization, heating, electricity consumption and related conditions such as increasing fuel consumption brought about as. Oil prices rise and environmental problems due to limited resources oil and coal to produce electrical energy as an alternative to conventional methods based on the use of renewable resources is gaining importance day by day. Hydrogen energy in renewable energy sources is substantial. Porous silicon hydrogen battery applications, such resources are provided as an example.
Porous silicon (PS), crystal structure, voids of nanometer / micrometer-sized silicon surrounded by a network and a large surface area (~ 103 m2cm-3) are characterized by single crystal is a material obtained by silicon electrochemical anodization method. The fabrication of porous silicon (PS) by electrochemical etching is attractive because of the possibility of tuning the pore size, simply by choosing suitable etching conditions and the doping level of the wafer. Porosity of the structure, metal / porous silicon / silicon structures has brought a new perspective on the use of hydrogen as a battery.

Metal/PS/Si Schottky-type structures fabricated by metals evaporate on PS/Si structures. Metal / PS / Si Schottky-type contact feature analysis indicates that the electrical angle. In this structure, different concentrations of hydrogen when the self-containing liquids open circuit voltage (Voc) and short-circuit current density (Isc) are.
 Metal-PS-Si capacitor is similar to a type of structure placed on a liquid hydrogen content. Metal part of the structure of water molecules separating the PS of H + ions accumulate, this accumulation leads to the accumulation of electrons at the Si. Metal and Si 'is taken from a contact potential difference occurs. This is an open circuit voltage (Voc). Open-circuit voltage varies in proportion to the amount of hydrogen exchange environment. Metal-Porous Silicon-Silicon (Metal-PS-Si) structure allows the use of hydrogen as a battery.
In the thesis, porous silicon is prepared with different anodization conditions. The different anodization conditions are current density, HF solution, anodization time and intensity of light.
Porous silicon is produced by using 15 mA/cm² current density, 1:3 HF solution in dH2O, 8 cm in distance between the light source and the Si to be kept and by changing the anodization time 5-10-25-40-55-70-90-120 minutes produced. SEM analysis of the PS samples were formed under these conditions. The open-circuit voltage and short-circuit current are measured between Au and Si contacts. Under these conditions is the ideal samples showed us  open circuit voltage Voc=542mV  and  short-circuit current Isc = 34.2 µA.
The other way of producing porous silicon is by using 15 mA/cm² current, 1:3 HF: dH?O solution, using the anodization time was 55 min at a fixed distance between the light source and the Si 3-6-9-12-15-20-30 cm to be produced by changing. SEM analysis of the PS samples were formed under these conditions, GS. The open-circuit voltage and short-circuit current are measured between Au and Si contacts. Under these conditions, is the ideal samples showed Voc=385mV open circuit voltage and                 Isc = 20?A short-circuit current.
One other way of producing porous silicon is by using 1:3 HF: dH2O solution, using the anodization time ofc 55 min, 8 cm in distance between the light source and Si at a fixed current density of 4, 8, 12, 16, 20, 25, 30, 50 mA / cm² was created by changing. GS structures consisting of SEM samples were analyzed. The open-circuit voltage and short-circuit current are measured between Au and Si contacts. Under these conditions is the ideal sample showed us open circuit voltage Voc = 1170mV and short-circuit current Isc = 11.46 µA.
The last way producing the porous silicon is by using anodization time of 55 min, the distance between the light source and the Si 8 cm, the current density 15mA / cm² at a fixed HF: dH?O solution of 1:3, 1:5, 1:7, 1:10, 1:12, 1:15 formed as amended. GS structures consisting of SEM samples were analyzed. The open-circuit voltage and short-circuit current are measured between Au and Si contacts. Under these conditions is the ideal sampe showed us open circuit voltage Voc = 150mV and short-circuit current Isc = 1.32 µA.
 
In these circumstances pore sizes changed and power density of Au-PS-Si hidrogen fuel cell is rised.