Boya duyarlaştırılmış titanyum dioksit güneş pillerinin üretimi ve yoğunluk fonksiyonel teorisi ile modellenmesi
Production of dye sensitized titanyum dioksit solar cells and modeling with density functional theory
Yazar: SİNEM AKSAN
Danışman: PROF. DR. HASAN GÖÇMEZ ; DOÇ. DR. CENGİZ SOYKAN
Kütahya Dumlupınar Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Fotovoltaik piller = Photovoltaic cells ; Modelleme = Modelling ; Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
Bu tez çalışmasında, boya duyarlaştırılmış (DSSC) TiO2 tabanlı güneş pillerinin verimliliklerinin artırılması amaçlanmıştır. Verimliliği artırmak için DSSC güneş pillerinin ana bileşeni olan TiO2 fotoanotlar  Co,Bi,Sr,Zr dopantları ile %1 ve %3 oranında katkılandırılarak üretilmiştir. Literatürdeki genel DSSC çalışmalarından farklı olarak, tez kapsamında güneş pillerinin yüksek verimliliği ve kararlılığı için en uygun fotoanotların belirlenmesi açısından hem deneysel çalışmalar hem de Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi kullanılarak fotoanotların moleküler boyutta modellemeleri yapılmıştır. Moleküler boyutta modellemeler Yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT ) hesaplama yöntemi Materials Studio programının CASTEP modülü kullanılarak Perdew, Burke ve Ernzerhof (PBE) tarafından geliştirilen  PBE ve GGA (Generalized Gradient Approximation yaklaşımı ile enerji hesaplamaları yapılmıştır. TiO2 Anataz  kristal formunda Ti+4   iyonu yerine, x değerine (x=1, x=3) bağlı olarak sırasıyla Co+2, Sr+2, Bi+3, Zr+2 iyonları ilave edilmiştir. Bu şekilde elde edilen stokiyometrik TiO2 (Y= Co,Bi,Sr,Zr  x=0 için) ve stokiyometrik olmayan TiY(x)O2 (Y= Co,Bi,Sr,Zr (x=1, x=3) için)  9 farklı kristal form oluşturulup yapısal ve elektronik özellikleri araştırılmıştır. Laboratuvar ortamında üretilen fotoanotların XRD, FTIR, SEM, EDS analizleri ile karakterizasyonları ve UV spektrofotometre ile bant aralığı ölçümleri yapılmıştır. Ruthenizer 535-bisTBA (C58H86O8N8S2Ru) boya maddesi kullanılarak oluşturduğumuz katkılandırılmış TiO2 fotoanotlarla hazırlanan DSSC Güneş pillerinin verimlilik değerleri ölçülmüştür.  Bu değerler DFT yoğunluk fonksiyonel teorisi kullanılarak yapılan hesaplamalarla karşılaştırılmış ve literatürdeki değerlerle örtüştüğü tespit edilmiştir. Sonuç olarak moleküler boyutta modelleme yöntemlerinin kullanımı ile deneylerin simüle edilmesi biz araştırmacılara yön vererek; zamandan, malzemeden, işgücünden kazanç sağlanması yönünde fayda sağlayacağı ortaya konmuştur.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to increase the efficiency of dye sensitized (DSSC) TiO2 based solar cells. In order to increase efficiency, TiO2 photoanodes, which are the main components of DSSC solar cells, were produced by doping with Co, Bi, Sr, Zr dopants at the rate of 1% and 3%. Unlike the general DSSC studies in the literature, both experimental studies and molecular modeling of photoanodes were made using the Density Functional Theory in order to determine the most suitable photoanodes for the high efficiency and stability of solar cells within the scope of the thesis. Models in molecular dimension Density functional theory (DFT) calculation method Using the CASTEP module of Materials Studio program, energy calculations were made with the PBE and GGA (Generalized Gradient Approximation approach) developed by Perdew, Burke and Ernzerhof (PBE). Instead of Ti+4 ion in TiO2 Anatase crystal form, Co+2, Sr+2, Bi+3, Zr+2 ions were added respectively depending on the value of x (x=1, x=3) Stoichiometric TiO2 (Y= Co,Bi,Sr,Zr x=0) obtained in this way for) and non-stoichiometric TiY(x)O2 (for Y= Co,Bi,Sr,Zr (x=1, x=3)) structural and electronic properties were investigated. Efficiency values of DSSC solar cells prepared with doped TiO2 photoanodes using Ruthenizer 535-bisTBA (C58H86O8N8S2Ru) dyes measured. These values were compared with the calculations made by using the DFT density functional theory and it was found that they matched the values in the literature. As a result, simulating experiments with the use of molecular modeling methods gives direction to us as researchers; It has been revealed that it will be beneficial in terms of gaining time, material and labor force.