Enerji üretimi amaçlı şekilli nanoboyutlu yarıiletkenlerin üretimi ve uygulamaları
Synthesis and applications of shaped nanosize semiconductors for energy production
Yazar: MÜNEVVER ZEYNEP SELÇUK
Danışman: PROF. DR. İSMAİL BOZ ; YRD. DOÇ. DR. MEHTAP ŞAFAK BOROĞLU
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films

Özet:
Dünyadaki enerji tüketiminin önemli bir kısmını karşılayan fosil yakıt rezervleri her geçen gün gittikçe azalmaktadır. Dünya nüfusu ve sanayisindeki hızlı artış, insanlığı yeni enerji kaynaklarını keşfetmeye yönlendirmektedir.  Tüm bu problemlere önerilen çözümler arasında yenilenebilir enerji kaynakları,  ilk sırada yer almaktadır. Uluslararası yarışta, özellikle güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretmeye yönelik olarak tasarlanan güneş hücresi teknolojileri ağır basmaktadır.  Güneş hücresi teknolojileri yarıiletkenler kullanılarak güneş ışığından enerji elde eden teknolojilerdir.
Kadmiyum sülfür (CdS), yüksek elektron mobilitesine ve 2,4 eV direkt bant boşluğu enerjisine sahip olan, en çok çalışılan II-VI yarıiletkenlerinden biridir. N-tipi CdS ince filmleri hibrit güneş pillerinde pencere tabakası olarak sıkça kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında CdS ince filmleri "sıralı iyonik tabakalı adsorpsiyon ve reaksiyon (SILAR)" yöntemiyle hazırlanmıştır. SILAR yöntemi, yüksek kalitede substrat ve yüksek vakum gerektirmediği için endüstriyel üretim için uygun bir yöntemdir. Ayrıca geniş alanlara da uygulanabilir. Hibrit güneş pillerinde film kalınlığı ve tanecik dağılımının çok önemli ölçütler olduğu bilinmektedir. SILAR metodu, devir sayısı değiştirilerek kaplama hızının ve kalınlığının kontrol edilebilmesi açısından yararlı bir metottur. 
Bu tez kapsamında, ITO/CdS/P3HT:PCBM/Ag formunda tersine çevrilmiş yapıda hibrit güneş pilleri üretilmiştir. ITO elektrot ve P3HT:PCBM karışım filminin arasında bulunan CdS filmi SILAR metoduyla sentezlenmiştir. CdS ince filmlerinin yapısal, bileşimsel ve optik özellikleri araştırılmış ve sonuçlar sergilenmiştir. SILAR devri sayısı, çözelti konsantrasyonu, çözelti sıcaklığı, tavlama sıcaklığı gibi değişikliklerin güneş pillerinin ışık altındaki aktivitesine etkisi incelenmiştir. Ayrıca farklı konsantrasyonlarda indiyum katkısının, CdS filmlerinin yapısal, morfolojik ve elementel özelliklerine etkisinin araştırılması amaçlanmıştır.
35 devir CdS filmiyle hazırlanan ITO/CdS/P3HT:PCBM/V2O5/Ag tersine çevrilmiş yapıdaki hibrit güneş filmi %0,35 verim göstermiştir. 35 devir CdS ince filminin azot atmosferinde 250oC'de tavlanmasıyla elde edilen filmle hazırlanan güneş filminin verimi %0,425 değerine çıkmıştır. CdS ince filmlerine In3+ iyonlarının katkısıyla filmlerin elektriksel iletkenliği arttığı için indiyum katkılı CdS ince filmler ile hazırlanan güneş pillerinin güç dönüşüm veriminde iyileşme gerçekleşmiştir.

Abstract:
Reserves of fossil fuels to meet a significant portion of the world's energy consumption are decreasing with each passing day. The rapid increase in world population and the industry leads humanity to discover new energy resources. The renewable energy sources come first between all of the suggested solutions to these problems. In the international competition, solar cell technologies especially designed to produce electrical energy from solar energy are out weighted. Solar cell technologies can produce energy from sunlight with using semiconductors. 
Cadmium sulfide (CdS) is one of the most studied II-VI semiconductors with a direct bandgap of 2,4 eV and relatively high electron mobility. Thin films of n-type CdS are widely used as a window layer in hybrid solar cells. CdS films have been prepared by successive ionic adsorption and reaction (SILAR) procedure. SILAR method is a convenient for industrial production because it does not require high quality substrate and high vacuum. Also it is appropriate for large area coatings. It is known that the size distribution and thickness of film are critical for hybrid solar cells. SILAR is useful method in terms of the thickness of the film and the deposition rate can be easily controlled by changing the deposition cycles. 
In this thesis, inverted structure hybrid solar cells, in the form of ITO/CdS/P3HT:PCBM/Ag, were fabricated. CdS films were synthesized between ITO and the blend film of P3HT:PCBM by SILAR method. Structural, compositional and optical properties of these samples were investigated and the results are presented. Effect of number of SILAR cycles, solution concentrations, solution temperatures, annealing temperature was researched on the activities of the solar cells under light. Also, this work aimed to investigate the different concentration and annealing effect of In doping on electrical, structural, morphological and elemental properties of CdS.
The inverted hybrid solar cell containing 35 cyclic deposition of CdS with the structure ITO/CdS/P3HT:PCBM/V2O5/Ag exhibited a power conversion efficiency of 0,35%. Enhanced efficiency of 0,425% was obtained by annealing 35 cycle CdS thin film at 250oC in nitrogen atmosphere. The improvement in power conversion efficiency can be obtained by incorporating In3+ into the CdS films because of the increasing the electrical conductivity of the CdS films.