Farklı alkoller kullanılarak üretilen gözenekli silisyum yapının gözenekli silisyum tabanlı yakıt pillerinin verimine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of porous silicon structure manufactured using different alcohols on the efficiency of porous silicon based fuel cell
Yazar: SADETTİN BERKAY ŞARLI
Danışman: DOÇ. DR. SÜREYYA AYDIN YÜKSEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Alkoller = Alcohols ; Gözenekli silisyum = Porous silicon ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Gözenekli Silisyum (GS); Anodizasyon hücresinde elektro-dağlama ile kristal Silisyum (cSi) yüzeyinde oluşturulan gözeneklerin derinliği ile beraber yüzey alanı üretildiği cSi malzemeye ve diğer eşdeğerlerine göre oldukça geniş, gözenek çevreleri nm/μm mertebesinde örümcek ağı gibi çerçeveleyen silisyum (Si) atomlarıyla dolu, fotolüminesans veren bir malzeme olarak bilinmektedir. Temel parametrelerden biri olarak yapının gözeneklilik ölçüsü, pil ve sensör uygulamalarında anahtar görevlerinden birini üstlenmekte ve bu tezin yazılma sebeplerinden birini de oluşturmaktadır. Gözeneklerin, yakıtı oksidasyon tepkimesi vermesi için katalizöre taşıyan kolon görevi görmesi ve yüzey alanını arttırması yardımıyla yakıt pili uygulamasını olanaklı kılmaktadır.
Farklı alkollerle hazırlanmış elektrolit çözeltilerde yüzeyin kompozisyonu ve morfolojisi, oluşan başka bağlar sebebiyle değişime uğrayarak, ilgili alkole karşılık olarak farklı yüzey bağ kompozisyonu vermektedir. Metal/GS/cSi Schottky kontak verdiği bilinmektedir. Elektriksel karakteristiğinin doğrultucu olması nedeniyle de pil ve sensör olarak çalışmasına temel oluşturmaktadır. Metal/GS/nSi eklemlerinden oluşan pil ve sensörlerin veya ayrıca akütatörlerin nem duyarlılığının olmasının bulunmasıyla birlikte, yakıt pili için hidrojen üretimi düzeneğini kullanan bu pillerin/sensörlerin hidrokarbon (dolayısıyla hidrojen) grupları ve hidroksil grubu içeriğinden dolayı farklı karbon sayısına sahip alkollerin de bu etkiyi verdiğini düşünmekteyiz. 
Bu tez de gözenekli silisyum altlık yüzeyinde anodizasyon işlemi ile farklı alkoller, farklı oranlar kullanılmasıyla büyütülmüş ve en yüksek pil verimi veren üretim şartlarında anodizasyon süresinin etkisi incelenmiştir. Bu gözenekli silisyum yapılarla üretilen Au/GS/Si Schottky diyotların yakıt pili olarak farklı yakıtlarla (dH2O, MetOH ve dH2O:MetOH) verimlerinin incelenmesi ve karşılaştırılması yapılmıştır.
Çalışmada, (HF:MetOH:dH2O)-(1:3:1) anodizasyon çözeltisi 60 dk anodizasyon süresi kullanılarak üretilen GS/Si yapı üzerine150 nm Au metal kontak kaplanarak oluşturulan Au/GS/Si diyotlarda en yüksek yakıt pili açık devre gerilimi dH2O:MetOH (1:6) ve MetOH yakıtları için  1 V en yüksek kısa devre akımı 30 A (Voc=850 mV) olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Porous Silicon (PS); it is known as a photoluminescent material, the surface area of which is quite large compared to the crystalline Silicon (cSi) material from which it is produced and other equivalent materials, the pore circles are filled with Silicon (Si) atoms, framing it like a spider web about nm/μm, with the depth of the pores formed on the surface of cSi by electro-etching in the anodization cell. The porosity measurement of the structure, as one of the basic parameters, undertakes one of the key tasks in battery and detector applications and is one of the reasons for writing this thesis. The pores act as a column carrying the fuel to the catalyst for oxidation reaction, and the porous layer surface area can react more than the normal cSi layer, making fuel cell application possible.
In electrolyte solutions prepared with different alcohols, the composition and morphology of the surface changes due to other bonds formed, giving different surface bond composition in response to the relevant alcohol types. It is known that PS structures give Schottky contact with cSi. Thanks to its electrical characteristic working as a rectification, it works as a battery and a detector/sensor. We believe that with the discovery that the batteries and sensors consisting of metal/PS/nSi junctions or also the actuators have humidity sensitivity, these batteries/detectors/sensors using the hydrogen production mechanism for the fuel cell also give this effect due to the hydrocarbon (hence containing hydrogen) groups and alcohols with different carbon numbers due to the hydroxyl group content. The source of the Detector/Sensor and Battery studies stems from the fact that it can do exactly this.
In this thesis, porous silicon was enlarged by using different alcohols and different ratios with anodization process on the silicon substrate surface and the effect of anodization time was investigated in production conditions that yielded the highest battery efficiency. In this study, the efficiency of Au/GS/Si Schottky diodes produced with these porous silicon structures as fuel cells with different fuels (dH2O, MetOH and dH2O:MetOH) was investigated and compared.
In the study, the highest fuel cell open circuit voltage in Au/GS/Si diodes formed by coating 150 nm Au metal contact on the GS/Si structure produced using (HF:MetOH:dH2O)-(1:3:1) anodization solution, 60 min anodization time. For dH2O:MetOH (1:6) and MetOH fuels, 1 V peak short-circuit current was determined as 30 A (Voc=850 mV).