Yarı iletken nanomateryallerin fotokatalitik - elektrokimyasal hidrojen üretiminde ve boya duyarlı güneş hücrelerinde kullanımı
Utilization of semiconductor nanomaterials in photocatalytic - electrochemical hydrogen production and dye sensitized solar cells
Yazar: ÇAĞDAŞ YAVUZ
Danışman: PROF. DR. ŞULE ERTEN ELA
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Boya duyarlı güneş hücreleri = Dye-sensitized solar cells ; Fotokatalitik = Photocatalytic ; Fotovoltaik = Photovoltaic ; Hidrojen üretimi = Hydrogen production ; Nanokompozitler = Nanocomposites

Özet:
Yoğun enerji ihtiyacı ve global çevre krizi nedeniyle, yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerji ve yakıt ihtiyacı her geçen gün artış eğilimindedir. Fotokatalitik ve fotovoltaik işlemlerden olan fotokatalitik hidrojen üretimi, yapay fotosentez, fotodegradasyon ve ayrıca bir başka temiz enerji üretim yöntemi olan organik güneş hücrelerinin endüstriyel düzeyde yeterli ölçüde kullanılabilirliğini engelleyen bazı dezavantajlar bulunmaktadır. Fotokatalitik süreçlerin performansını iyileştirme ve görünür ışık altında çalışma potansiyellerini genişletme ihtiyacı, yeni ve daha verimli yarı iletken malzemelerin sentezini artırmıştır. Şimdiye kadar yapılan araştırma ve geliştirme çalışmalarında ikili yarı iletken heteroeklem sistemi, fotokatalitik işlemlerde ve boya duyarlı güneş hücrelerinin fotoanot bileşeninde kullanılan en dikkat çekici alternatiflerden biridir. Ancak bu perspektif, yarı iletken yapıların ışık hasadı, yük ayrıştırma-taşıma ve yüzey redoks reaksiyonlarını yeterli ölçüde iyileştirememiştir.
Tez çalışmasının ilk aşamasında üç farklı yarı iletken matris bileşiği (TiO2, ZnO, α-Fe2O3), güneş spektrumunda görünür bölge ışımasıyla aktifleşebilen CdS ve polimerik bir yarı iletken olan g-C3N4 ile katkılandırıldı. Yarı iletken matris ve katkı malzemeleri hidrotermal, termokimyasal, termal polimerizasyon ve ultrasonik yöntemler kullanılarak sentezlendi. Bu sentez ve katkılandırma işlemleri sonrasında TiO2, ZnO, α-Fe2O3, CdS, g-C3N4, ikili (TiO2/CdS, ZnO/CdS, α-Fe2O3/CdS) ve üçlü (TiO2/CdS/g-C3N4, ZnO/CdS/g-C3N4, α-Fe2O3/CdS/g-C3N4) bileşik ve kompozit malzemeleri elde edildi. Numunelerin kristal yapı, morfoloji, kimyasal bileşim, fonksiyonel bileşim, tane boyutu, yüzey alanı, bağ özellikleri, elektrokimyasal, optik, elektriksel özellikleri, H2 üretim ve boya duyarlı güneş hücrelerinin PCE performansları; XRD, SEM, EDS, BET, XPS, UV-Vis DRS, FT-IR, PL, CV, EIS, PCE ve IPCE analizleriyle karakterize edilmiştir. 
İkinci aşamada, sentezlenen bileşik ve kompozitler kullanılarak fotokatalitik H2 üretimi, DSSC uygulaması için fotoanot kaplaması ve fotodegradasyon işlemleri gerçekleştirildi. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda üçlü kompozit yapılar en yüksek fotokatalitik performansları gösterdi. Fotokatalitik hidrojen üretiminde ZnO/CdS/g-C3N4 numunesiyle 496 μmol∙g-12h-1 değeri elde edildi. DSSC uygulamasında TiO2/CdS/g-C3N4 kullanılarak kaplanan fotoanot hücresi, JSC, VOC, η ve boya adsorpsiyon kapasiteleri sırasıyla 10,17 mA/cm2, 750 mV, %4,16 ve 165,46 nmol/cm2 performans değerlerini sergiledi. Fotodegradasyon işleminde α-Fe2O3/CdS/g-C3N4 üçlü yapısı 10-5 M metilen mavisinin 120 dakikalık 1000W ışınlama sonunda %99.4 oranında bozunmaya uğramasını sağladı.
Tezin üçüncü aşamasında DSSC ve hidrojen üretim performanslarını artırmak amacıyla amorf ve anataz TiO2 mezogözenekli küre yapıları sentezlenmiştir. Anataz TiO2 numunesiyle hazırlanan DSSC üst düzey performans sergileyerek JSC, VOC, FF, η ve boya adsorpsiyon kapasiteleri sırasıyla 21,33 mA/cm2, 685 mV, 0,69, %10,09 ve 19x10-8 mol/cm2 değerleri elde edilmiştir. Bu çalışmada ayrıca birbirine seri ve paralel olarak bağlanmış DSSC'ler kullanılarak PV-EC hibrit sistemi hidrojen üretimi için uygulanılmıştır. Bu sayede gerekli teorik hidrojen potansiyel değeri aşılarak elektrokimyasal hidrojen üretimi gerçekleştirilmiştir. Elektroliz işleminin gerçekleştiği reaktörde asidik bir elektrolit çözeltisi (0.1M H2SO4), elektrolit olarak ise grafit çubuk ve spiral bakır kullanıldı. Deneylerde 60 dakika boyunca aktif olarak H2 gazı üretildi. Amorf TiO2 6 seri hücre için 1,32 mA/cm2, 4100 mV, %2,82 değerleri elde edilirken 227 μmol∙h-1 H2 gazı üretildi. Anataz TiO2 6 seri için 4,73 mA/cm2, 4200 mV ve %12,43 değerleri ile 495 μmol∙h-1 H2 gazı üretildi.
Yapılan çalışmalar ve elde edilen sonuçlar doğrultusunda, bu çalışma; üçlü kompozit yapıların PC ve DSSC sistemleri için, ayrıca seri bağlı DSSC mini paneller kullanılarak uygulanan PV-EC hibrit sistemli H2 üretimi, güneşten-enerjiye ve güneşten hidrojene (STE ve STH) konularına önemli ve etkili bir katkı sunmuştur.

Abstract:
Due to the intense energy demand and the global environmental crisis, the need for energy and fuel obtained from renewable resources tends to increase day by day. Photocatalytic hydrogen production, artificial photosynthesis, photodegradation, which are some of the photocatalytic and photovoltaic processes, as well as organic solar cells, which are another clean energy generation method, have several disadvantages that prevent the adequate usability of organic solar cells at the industrial level. The requirement to improve the performance of photocatalytic processes and expand their potential to operate under visible light has increased the synthesis of new and more efficient semiconductor materials. In the research and development studies carried out so far, the binary semiconductor heterojunction system is one of the most remarkable alternatives used in photocatalytic processes and the photoanode component of dye-sensitized solar cells. However, this perspective could not sufficiently improve the light harvesting, charge separation-transport and surface redox reactions of semiconductor structures. In the first stage of the thesis work, three different semiconductor matrix compounds (TiO2, ZnO, α-Fe2O3) were doped with CdS, which can be activated by visible radiation in the solar spectrum, and g-C3N4, a polymeric semiconductor. Semiconductor matrix and additives were synthesized using hydrothermal, thermochemical, thermal polymerization and ultrasonic methods. After these synthesis and reinforcement processes, TiO2, ZnO, α-Fe2O3, CdS, g-C3N4, binary (TiO2/CdS, ZnO/CdS, α-Fe2O3/CdS) and ternary (TiO2/CdS/g-C3N4, ZnO/CdS/g-C3N4, α-Fe2O3/CdS/g-C3N4) compounds and composite materials were obtained. Crystal structure, morphology, chemical composition, functional composition, grain size, surface area, bond properties, electrochemical, optical, electrical properties, H2 and PCE performances of dye-sensitized solar cells of samples; characterized by XRD, SEM, EDS, BET, XPS, UV-Vis, FT-IR, PL, CV, EIS, PCE and IPCE analyses. In the second stage, photocatalytic H2 production, photoanode coating and photodegradation processes for DSSC application were carried out using the synthesized compounds and composites. In line with the results obtained, the triple composite structures showed the highest photocatalytic performances. In photocatalytic hydrogen production, a value of 496 μmol∙g-12h-1 was obtained with the ZnO/CdS/g-C3N4 sample. Photoanode coated using TiO2/CdS/g-C3N4 in DSSC application showed performance values of JSC, VOC, η and dye adsorption capacities of 10.17 mA/cm2, 750 mV, 4.16% and 165.46 nmol/cm2, respectively. In the photodegradation process, the α-Fe2O3/CdS/g-C3N4 ternary material caused 10-5 M methylene blue to degrade 99.4% after 120 minutes of 1000W irradiation. In the third stage of the thesis, amorphous and anatase TiO2 mesoporous spherical structures were synthesized to increase the DSSC and hydrogen production performances. DSSC prepared with anatase TiO2 sample showed a high level of performance and JSC, VOC, FF, η and dye adsorption capacities were 21.33 mA/cm2, 685 mV, 0.69, 10.09% and 19x10-8 mol/cm2, respectively. In this study, the PV-EC hybrid system was also applied for hydrogen production by using DSSCs connected in series and parallel to each other. In this way, electrochemical hydrogen production was realized by exceeding the required theoretical hydrogen potential value. An acidic electrolyte solution (0.1M H2SO4) was used in the reactor where the electrolysis process took place, and graphite rod and spiral copper were used as the electrolyte. H2 gas was actively produced for 60 minutes in the experiments. With amorphous TiO2 6 series cells, 1.32 mA/cm2, 4100 mV, 2.82% values were obtained, while 227 μmol∙h-1 H2 gas was produced. By anatase TiO2 6 series, 495 μmol∙h-1 H2 gas was produced with values of 4.73 mA/cm2, 4200 mV and 12.43%. By obtained results, this study; The production of H2 with PV-EC hybrid system applied for PC and DSSC systems of triple composite structures, as well as by using series connected DSSC mini panels, has made an important and effective contribution to the issues of solar-to-energy and solar-to-hydrogen (STE and STH).