Metal katkılı TiO2 ve indirgenmiş grafen oksit temelli elektrotlar kullanılarak boya duyarlı güneş hücrelerinin üretilmesi, karakterizasyonu ve performanslarının incelenmesi
Production, characterization, and performance investigation of dye-sensitized solar cells using metal-doped TiO2 and reduced graphene oxi̇de-based electrodes
Yazar: BERRAK ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. DR. ENES ŞAYAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDAL İĞMAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Amaç: Bu tez çalışması kapsamında, boya duyarlı güneş hücreleri (BDGH) bileşenlerinden biri olan foto-anotta saf TiO2'ye Ag+1, Zn+2, Fe+3, Co+2, Ho+3, La+3, Er+3, Yb+2 katkılaması yapılarak güç dönüşüm verimliliğinin artırılması amaçlanmıştır. Ayrıca BDGH'lerinin bir diğer bileşeni olan foto-katotta Platine alternatif olarak GO-PVP ve rGO-PVP ve duyarlılaştırıcı olarak ise N-719 boyasına alternatif olabilecek hibiskus bitkisinden ekstrakte edilen doğal boya kullanılarak daha ucuz ve kolay bulunabilen malzemelerle güneş hücresi üretilmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: BDGH'lerin bileşenlerinden birisi olan foto-anotta ilk olarak, manyetik saçtırma tekniği ile FTO taban malzemesi saf titanyum ince filmler hazırlanmış ve ardından anodizasyon yöntemiyle TiO2 nano gözenekli yapılar oluşturulmuştur. Ayrıca, güç dönüşüm verimliliğine etkisini incelemek amacıyla %1 M (Ag+1, Zn+2, Fe+3, Co+2, Ho+3, La+3, Er+3, Yb+2) katkılı TiO2 nano-gözenekli yapılar oluşturulmuştur. İkinci olarak ise, sol-jel yöntemi ile sentezlenen saf TiO2 pastaya farklı yüzde oranlarda (Ag+1, Zn+2, Fe+3, Co+2, Ho+3, La+3, Er+3, Yb+2) katkılayarak 'Doctor Blade' yöntemi ileTiO2 ince filmler oluşturulmuştur. BDGH'lerinin güç dönüşüm verimi üzerine TiCl4 etkisini incelemek amacıyla 0.05 M TiCl4 ile muamele edilmiş foto-anotların I-V ölçümleriyle güç dönüşüm verimi üzerine etkisi tespit edilmiştir. BDGH'lerin bir diğer bileşeni foto-katot için; GO-PVP ve rGO-PVP Hummers Yöntemi ile sentezlenerek FTO iletken taban malzemelerine 'Doctor Blade' tekniği ile uygulanmıştır. Hibiskus bitkisinden ekstrakte edilen boyalar ile N-719 boyası, UV-vis ve FTIR ile analiz edilmiştir.  Sentezlenen foto-anotlar ve foto-katotların SEM-EDS, XPS, XRD, Raman, BET, UV-vis ve EIS teknikleriyle morfolojik, yapısal ve optiksel karakterize edilmiştir. Oluşturulan hücrelerin güç dönüşüm verimleri I-V ve IPCE teknikleriyle analiz edilmiştir.
Bulgular: Hazırlanan hücrelerden 1.0 La TiO2 (TiCl4)-N-rGO, 1.0 Ho TiO2-N-rGO ve 1.0 Co TiO2-N-rGO hücreleri için sırasıyla akım yoğunlukları 17,04 mA/cm2, 17,8 mA/cm2 ve 13,8 mA/cm2 verimleri ise, %3,87, %2,87 ve %2,85 ile en yüksek güç dönüşüm verimliliği sergilemiştir. TiO2-N-rGO hücresinin akım yoğunluğu 8,39 mA/cm2, verimi %1,5 ve TiO2 -N-Pt hücrenin akım yoğunluğu 2,13 mA/cm2, verimi %1,5 olarak tespit edilmiştir. Hibiskus bitkisinden elde edilen boyanın kullanıldığı hücreler içerisinden en iyi verimi %0,25 ile TiO2 (TiCl4)-H-rGO hücresinden elde edilmiştir.
Sonuç: Üretilen tüm güneş hücrelerinin ışığa duyarlı olduğu belirlenmiştir. Katkılama güç dönüşüm verimi üzerinde olumlu etki etki ederken doğal boya olarak kullanılan hibiskus boyası güç dönüşüm verimi üzerinde zayıf kalmıştır. Fotovoltaik uygulamalar için, lantanit elementlerinin iyi bir seçenek olduğu ortaya konmuştur.

Abstract:
Purpose: Within the scope of this thesis, it is aimed to increase the power conversion efficiency of DSSCs by adding Ag+1, Zn+2, Fe+3, Co+2, Ho+3, La+3, Er+3, Yb+2 to the pure TiO2 in the photo-anode, which is one of the components of the dye-sensitized solar cells (DSSCs). In addition, it is aimed to produce solar cell with cheaper and more readily available materials by using GO-PVP and rGO-PVP as alternative to Platinum in the photocathode, which is another component of DSSCs, and natural dye extracted from the hibiscus plant, which can be an alternative to N-719 dye as a sensitizer. 
Method: In the photoanode, one of the components of DSSCs, firstly, pure titanium thin films were prepared on FTO base materials by magnetic sputtering technique and then TiO2 nanoporous structures were formed by anodization method. Additionally, TiO2 nanoporous structures doped with 1% M (Ag+1, Zn+2, Fe+3, Co+2, Ho+3, La+3, Er+3, Yb+2) were formed in order to investigate its effect on power conversion efficiency. Secondly, TiO2 thin films were formed by adding some metals and lanthanides such as Ag+1, Zn+2, Fe+3, Co+2, Ho+3, La+3, Er+3, Yb+2 in different percent ratios to pure TiO2 paste and TiO2 synthesized by the sol-gel method. In order to investigate the effect of TiCl4 on the power conversion efficiency of DSSCs, the photoanodes were treated with 0.05 M TiCl4 and this effect was determined by I-V measurements. For the photo-cathode, which is another component of DSSCs; It was synthesized by GO-PVP and rGO-PVP Hummers Method and applied by 'Doctor Blade' technique for FTO conductive base materials. Dyes extracted from Hibiscus plants and N-719 dye were analyzed by UV-vis and FTIR. Morphological, structural and optical characteristics of the synthesized photo-anodes and photo-cathodes were characterized by SEM-EDS, XPS, XRD, Raman, BET, UV-vis and EIS techniques. The power conversion efficiencies of the generated cells were analyzed by I-V and IPCE techniques. 
Findings: Among the prepared cells, 1.0 La TiO2 (TiCl4)-N-rGO, 1.0 Ho TiO2-N-rGO and 1.0 Co TiO2-N-rGO cells exhibited the highest power conversion efficiency with current densities of 17,04 mA/cm2, 17,8 mA/cm2 and 13,8 mA/cm2 and efficiencies of 3,87%, 2,87% and 2,85%, resPCEtively. The current density of the TiO2-N-rGO cell was determined as 8,39 mA/cm2 and its efficiency was 1,5%, and the current density of the TiO2-N-Pt cell was determined as 2,13 mA/cm2 and its efficiency was 1,5%. Among the cells where the dye obtained from the hibiscus plant was used, the best efficiency of 0,25% was obtained from the TiO2 (TiCl4)-H-rGO cell.
Results: It has been determined that all solar cells produced are light sensitive. While doping had a positive effect on the power conversion efficiency, hibiscus dye used as a natural dye had a weak effect on the power conversion efficiency. It has been shown that lanthanide elements are agood option for photovoltaic applications.