Metal/ametal katkılı ZnO nano taneciklerin sentezleri, fotokatalitik aktivitedeki ve boya duyarlı güneş hücrelerindeki performansları
Synthesis of metal/nonmetal doped ZnO nanoparticles, their performances in photocatalytic activity and in dye sensitized solar cells
Yazar: MOHAMMAD SUTAIF
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BİRCAN DİNDAR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı / Enerji Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Fotokatalitik = Photocatalytic ; Nano parçacık = Nano particles ; Yarı iletkenler = Semiconductors ; Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
Bu tez çalışmasında, Mg, Ag, Fe ve N katkılı çinko oksit (ZnO) fotokatalizörlerini sentezlemek için kolay bir yöntem olan mekanokimya yöntemi tercih edilmiştir. Ayrıca, iki adet metal katkılı ve ametal (N) katkılı ZnO nanotanecikler hazırlanmıştır. Magnezyum katkılı çinko oksit (Mg-ZnO), gümüş katkılı çinko oksit (Ag:ZnO), demir katkılı çinko oksit (Fe-ZnO) ve azot katkılı çinko oksit (N-ZnO) ile katkısız ZnO nanoparçacıkları, 500oC'de kalsinasyon ile ucuz, enerji tasarruflu mekanokimyasal yöntemle sentezlenmiştir. Katkılama etkisini belirlemek için, bu oksitlerin farklı oranları ağırlıkça %1.0 ve %5.0 Mg-ZnO, %0.5, 1.0, 2.0 Ag-ZnO, %0.1,0.2,0.3,0.4, 0.5, 8.0, 10.0, 12.0 Fe:ZnO,ve %1.0,2.0,3.0,4.0 N-ZnO,  sentezlenmiş olup fotodegradasyon ve boya duyarlı güneş hücrelerinde uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Seçilen gözenekli çinko oksitlerin yapısal ve morfolojik evrimi, (XRD) ve (SEM) ile karakterize edildi. Mg-ZnO, N-ZnO, Ag-ZnO nanomateryallerin Diffüz Reflektans, Diffüz Absorbans ve UV spektrofotometre kullanılarak araştırılmış ve absorbsiyon verileri kullanılarak enerji bant boşlukları hesaplanmıştır. Ayrıca, numuneler için  (BET) analizi yapılmıştır. XRD analizleri, (Mg-ZnO) ve (N-ZnO) örneklerin hekzagonal wurtzit yapıda kristalleştiğini göstermektedir, ama Ag-ZnO numuneleri için yüzey merkezli kübik yapı (FCC) şeklinde kristalleştiğini göstermektedir. Yarıiletkenlerin Kubelka-Munk dönüşümlü DRS spektrumları, bant aralıklarında bazı değişiklikler olduğunu ortaya koymuştur.
Fotokatalitik aktiviteler, pH 7'de güneş ışığına simüle ışıma yapan ksenon lamba altında ayrı ayrı 10-5 M sulu boya (MM ve RB) çözeltilerinden 100 mL için 0.1g nanotozlar (katalizörler) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Basit ve ucuz yöntemlerle güneş ışığı altında çalışan, optimum verimleri belirlenmiş orijinal katalizörler bilime katkı sağlayacak ve yeni uygulama alanları için model oluşturacaktır.
Aynı zamanda, katkısız ve katkılı katalizörlerden fotokatalitik aktiviteleri en iyi olan ZnO, %5Mg-ZnO, %4N-ZnO ve %1Ag-ZnO seçilip Doctor Blade metodu ile iletken camın (FTO) üstüne yarıiletken pasta oluşturup, ticarî N719 boyası kullanarak boya duyarlı güneş hücreleri hazırlanmıştır. Bu hücrelerden elektrik akımları sırasıyla; 1.1 mA/cm2, 0.02mA/cm2, 0.75mA/cm2 ve 0.2mA/cm2 ve verimler sırasıyla; 0.22%, 0.004%, 0.15% ve 0.032% elde edilmiştir.
Katkılı ve katkısız ZnO katalizörlerine kıyasla bir de anod katmanı için ayrıca ticari titanyum dioksit (TiO2) pasta ve papatyadan (luteolin), kırmızı lahana (antosiyanin) ve duttan (antosiyanin) elde edilen boyalar kullanılarak, ticarî N719 boya ile karşılaştırmalı olarak boya duyarlı güneş hücreleri hazırlanmıştır. Tüm akım- voltaj (J-V) ölçümleri, 100mW/cm2 ışık yoğunluğu ve AM 1.5 koşulları altında gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In this thesis, an easy mechanochemical method used to synthesize Doped ZnO photocatalysts. Magnesium doped zinc oxide (Mg:ZnO), Nitrogen added zinc oxide (N:ZnO), Silver added zinc oxide (Ag:ZnO), Iron added zinc oxide (Fe:ZnO) and undoped ZnO nanoparticles were synthesized by calcination at 500oC by a cheap, energy-efficient and new mechanochemical method. 
To determine the katkılama effect, different rates of these oxides were synthesized %1.0 ve %5.0 (Mg:ZnO), %1.0,2.0,3.0,4.0 (N:ZnO),  %0.5, 1.0, 2.0 (Ag:ZnO), %0.1,0.2,0.3,0.4, 0.5   8.0, 10.0, 12.0 (Fe:ZnO)  and performed for the decomposition and dye sensitized solar cells. The structural and morphological evolution of the selected porous zinc oxides were then characterized by (XRD) and (SEM). Mg:ZnO, N:ZnO, Ag:ZnO nanomaterials were investigated using Diffuse Reflectance, Diffuse Absorbance and UV spectrophotometer and energy band gaps were calculated using absorption data. In addition, (BET) analysis was performed for the samples. XRD analyzes show that the samples crystallize in the hexagonal wurtzite structure for Mg:ZnO, N:ZnO and FCC for Ag:ZnO nanomaterials . The Kubelka-Munk transform DRS spectra of the semiconductors revealed some variation in the band gaps.
Photocatalytic activities were performed with the use of 0.1g of nanopowder catalyst for 100 mL of aqueous dye (Methylene blue) solution and 100 ml of apueous dye (RB) separately under simulated solar light irradiation at pH 7. By using simple and inexpensive methods, original catalysts working under sunlight, with optimum efficiencies determined will contribute to science and will serve as a model for new areas of application.
By choosing the best photocatalysts as photocatalysts 5%Mg-ZnO, 4%N-ZnO and 1%Ag-ZnO that the 100% dye degradation was happened in (45 min, 30 min ve 45 min) respectively, and making a paste on conductive glass (FTO) with the Doctor Blade method, and by using the N719 dye, the electric current results for (pure ZnO, 5%Mg-ZnO, 4%N-ZnO and 1%Ag-ZnO) were (1.1 mA/cm2, 0.02mA/cm2, 0.75mA/cm2 and 0.2mA/cm2) and the efficiency were (0.22%, 0.004%, 0.15% and 0.032%) respectively. 
In the other hand, the another dye sensitized solar cells were completed using dye from natural flowers like (daisy) that has luteolin dye and fruits like (red cabbage and mulberry) that have  anthosyanin dye and using paste of TiO2 .
The produced dye-sensitized solar cells were characterized by current-voltage (J-V) measurements and IPCE measurements. All current-voltage (J-V) measurements were performed under 100mW/cm2 light intensity and AM 1.5 conditions.