Farklı miktarlarda kalay dioksit ile kaplanan titanyum dioksit nanotellerin sentezi, karakterizasyonu ve fotovoltaik etki potansiyelinin araştırılması
Sythesis, characterizationn and investigation of potential photovoltaic effect of titanium dioxide coated with different quantities of tin dioxide
Yazar: HASAN TAYFUN AY
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET FAHRİ SARAÇ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ TUBA SOLAKYILDIRIM
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Disiplinlerarası Taşıt Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde taşıt teknolojileri için büyük önem sahip pil teknolojilerine alternatif bir yaklaşım olan, güneş hücrelerinde yaygın olarak kullanılan ama laboratuvar koşullarında üretimi maliyetli olan ITO veya FTO altlık malzeme yerine ucuz ve çevreci bir yaklaşım olarak metal oksit tabanlı fotovoltaik hücreler son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Bu tez çalışmasında, iki aşamalı biriktirme metodu (termal oksidasyon ve hidrotermal) ile farklı Sn konsantasyonlarda (25 mM, 50 mM ve 100 mM) üretilen SnO2 kaplı TiO2 nanoteller morfolojik (taramalı elektron mikroskopu (SEM)), yapısal (enerji dağılımı spektrometresi (EDS), x-ışını difraktrometresi (XRD), x-ışını fotoelektron spekrometresi (XPS)), optik (fotolüminesans (FL), difüz reflektans (%DR)) ve elektriksel (gerilim-akum (I-V)) özellikleri incelenmiştir. TiO2 nanotellerin yüksek yüzey alanı avantajından faydalanılarak yüksek elektron hareketliliğine sahip SnO2 (100-500 cm2/(V.s) yapısı ile birlikte TiO2 yüzeyi üzerinde biriken farklı SnO2 kaplama kalınlıklarının fotovoltaik özelliklerine olan etkisi araştırılmıştır. Saf TiO2 nanoteller, Ti folyo üzerinde dikey olarak hizalanmış ve düzgün dağılmış naonotel dizileri görülmüştür. Artan Sn konsantrasyonu ile SnO2 kaplamasının TiO2 nanotel yüzeylerinde biriktiği gözlenmiştir. Fakat artan SnO2 konsantrasyonu ile nanoteller arasındaki boşlukların dolduğu ve 100 mM SnO2 konsantrasyonlu numune de tüm yüzeyin SnO2 ile kaplandığı görülmüştür. Yüzeyde artan Sn konsantrasyonunun varlığı niteliksel olarak EDS ve XPS ölçümleri ile belirlendi. XRD ölçümlerinde net pik varlığı tespit edilemeyen SnO2 varlığı XPS ölçümlerinde Sn:O element içeriğinin 1:2 olması ve O1s varlığının Ti2p ve Sn3d yapısında görünür olması SnO2 kaplamanın varlığını doğrulamaktadır. SnO2 kaplaması arttıkça fotolüminesans yoğunluğunun azalması, rekombinasyon gecikmesini göstermektedir. Elektron uyarımı daha az enerji gerektirdiğinden, kaplama kalınlığı da bant aralığını azaltır. Elektronlar, TiO2'nin iletim bandı tarafından kolayca uyarıldığı için, SnO2 kaplamaları, bant aralığı içinde bir enerji seviyesi oluşturabilmektedir. En yüksek ışığa duyarlılık, 100 mM SnO2 kaplı TiO2 nanotel dizileriyle %142,05 olmuştur. Mükemmel ışık emme özellikleri ve verimli yük taşıyıcı üretimi nedeniyle 100 mM SnO2 kaplı TiO2 nanotel yapıların kullanımı PV cihazları için alternatif bir heteroyapılı yarıiletken metal oksit olarak sunulabilir. Mevcut SnO2 kaplı TiO2 heteroyapılı metal oksit yarıiletkenlerin üretimi, pratik ve kullanımı kolay bir şekilde gerçekleştirilebilmesi ve aynı zamanda ışığa duyarlı fotovoltaik özelliklere sahip olması, fotodetektör uygulamaları için büyük önem taşımaktadır.

Abstract:
Photovoltaic cells based on metal oxides have attracted significant attention in recent years due to their affordability and environmental friendliness. Battery technologies can also use ITO or FTO substrates. These substrates are widely used in solar cells but are very expensive to produce in the laboratory. In this thesis, SnO2 coated TiO2 nanowires produced in different Sn concentrations (25 mM, 50 mM, and 100 mM) by two-stage deposition method (thermal oxidation and hydrothermal) and were investigated by morphological (scanning electron microscope (SEM)), structural (energy distribution spectrometry (EDS), x-ray diffractometer (XRD), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), optical (photoluminescence (PL), diffuse reflectance (DR)) and electrical (current-voltage (I-V)) properties. Using the high surface area of TiO2 nanowires, the effect of SnO2 (100-500 cm2/(V.s)) structures with high electron mobility and different SnO2 coating thicknesses deposited on the TiO2 surface on photovoltaic properties was investigated. On the Ti foil, pure TiO2 nanowires are vertically aligned and uniformly distributed. It was observed that SnO2 coatings accumulated on TiO2 nanowire surface with increasing Sn concentration. However, with increasing SnO2 concentration, the spaces between nanowires were filled. The entire surface was covered with SnO2 together with the 100 mM SnO2 concentrated sample. It was determined by XPS measurements that the SnO2 presence could not be detected in XRD measurements. The presence of Sn:O element content of 1:2 in XPS measurements and the presence of O1s in Ti2p and Sn3d structures confirm the presence of SnO2 coating. As the SnO2 coating increases, the decrease in photoluminescence density indicates a delay in recombination. Since electron excitation requires less energy, the coating thickness also reduces the band gap. Since electrons are easily excited by TiO2's conduction band, SnO2 coatings can form an energy level within the band gap. The highest photosensitivity was 142.05% with 100 mM SnO2-coated TiO2 nanowire arrays. Due to their excellent light absorption properties and efficient charge carrier generation, 100 mM SnO2-coated TiO2 nanowires can be offered as an alternative heterostructured semiconductor-based metal oxide for PV devices. The production of SnO2-coated TiO2 heterostructured metal oxide semiconductors holds significant importance for photodetector applications due to their practical and easily achievable manufacturing process, coupled with their light-sensitive photovoltaic properties.