ZnWSe2 alaşımların üretimi ve boya duyarlı güneş hücresinde karşıt elektrot uygulaması
Fabrication of ZnWSe2 alloys and application as a counter electrode in dye-sensitized solar cell
Yazar: DURMUŞ ALİ ARI
Danışman: DOÇ. DR. SEÇKİN AKIN
Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Boya duyarlı güneş hücrelerinin (DSSC'ler) ticari boyut kazanamamasındaki en büyük engellerden biri, hücre mimarisinde karşıt elektrot (CE) olarak kullanılan çok pahalı ve nadir platin (Pt) katalitik malzemesinin varlığıdır. Yeni bir CE malzemesi bulmak, son teknoloji ürünü Pt'nin yerini alacak alternatifleri keşfetmek hala zorlu bir süreç olduğundan, düşük maliyetli ve üstün katalitik aktiviteye sahip CE malzemelerinin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla, farklı Zn oranlarıyla amorf yapıdaki yenilikçi ve etkili ZnWSe2 alaşım CE malzemeleri, magnetron sıçratma yöntemiyle üretilmiş ve Pt CE'nin yukarıda belirtilen zorluklarının üstesinden gelmek için DSSC uygulamalarında kullanılması hedeflemiştir. Zn içerikli amorf fazın varlığı teorik hesaplamalarla da doğrulanmıştır. Döngüsel voltametri (CV), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve Tafel gibi çeşitli elektrokimyasal ölçümler, optimum ZnWSe2 (ZnWSe2-3 olarak adlandırılan) alaşım bazlı CE malzemesinin, iyodür/triiyodür (I‒/I3‒) redoks çifti için üstün elektrokatalitik aktivite, elektrokimyasal kararlılık ve hızlı reaksiyon kinetiğine sahip olduğunu göstermektedir. Düşük yük transfer direnci, yüksek elektrik iletkenliği ve geniş yüzey alanı sayesinde, ZnWSe2-3 CE kullanılan hücre, gelişmiş kısa devre akım yoğunluğu (Jsc) ve dolum faktörü (FF) parametreleriyle %8,27'lik bir güç dönüşüm verimliliğine (PCE) ulaşır. Bu değer Pt (%7,56), WSe2 (%6,35), diğer ZnWSe2 tabanlı CE'lere (%6,20 ila 7,41) dayalı DSSC'lerden daha yüksektir. Bu basit ve etkili yaklaşım, yüksek verimli ve elektrokimyasal olarak kararlı DSSC'lerin üretimi için umut verici bir yöntem sunar. Bu nedenle, çalışmamızın fotovoltaik (PV) uygulamalarda yüksek performanslı ve düşük maliyetli CE malzemelerinin tasarımı için etkili bir alternatif sunabileceğine inanıyoruz.

Abstract:
One of the biggest obstacles in the commercialization of dye-sensitized solar cells (DSSCs) is the presence of very expensive and rare platinum (Pt) catalytic material as a reference counter electrode (CE). Since finding new CE materials for replacing the state-of-the-art Pt is still challenging, the discovery of low-cost CE materials with superior catalytic activity is of paramount importance. Here, innovative and effective ZnWSe2 alloy CE materials in the amorphous structure are designed with different Zn ratios by magnetron sputtering route and employed in DSSC applications to overcome the above-mentioned challenges of Pt CE. The formation of amorphous phase with Zn content is further verified by theoretical calculations. The various electrochemical measurements such as cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and Tafel demonstrate that the optimum ZnWSe2 (donated as ZnWSe2-3) alloy-based CE material possesses superior electro-catalytic activity, electrochemical stability, and fast reaction kinetics for an iodide/triiodide (I‒/I3‒) redox pair. Thanks to low charge transfer resistance, high electrical conductivity, and large surface area, the cell employing ZnWSe2-3 CE reaches a power conversion efficiency (PCE) of 8.27% with enhanced short circuit current density (Jsc) and fill factor (FF) parameters, which is higher than that of DSSCs based on Pt (7.56%), WSe2 (6.35%), other ZnWSe2-based CEs (6.20 to 7.41%). In addition to improved photovoltaic (PV) performance, cell employing ZnWSe2-3 CE exhibits prolonged photostability under operational conditions. This facile and efficient approach provides a promising direction to fabricate high-efficiency and electrochemically stable DSSCs. We thus believe that our work could provide an effective alternative for the design of high-performance and low-cost CE materials in photovoltaic (PV) applications.