Tek duvarlı karbon nanotüplerin organik güneş pillerinde elektrot malzemesi olarak kullanılması

Abstract

Bu çalışmada, tek duvarlı karbon nanotüplerin (TDKNT) organik güneş pillerinin (OPV) verimlerini, karakteristik ve elektriksel özelliklerini geliştirmek için uygulanması gösterildi. OPV'lerde yük taşınımı önemli bir etkendir, burada yük taşınımı elektrot malzemeleri ile gerçekleşir. Aktif tabakada üretilen eksiton yüklerinin geçirgen elektrotlar aracılığıyla taşınması gerekir. İndiyum kalay oksit (ITO) organik güneş hücrelerinde en çok kullanılan ve çok iyi bir geçirgenliğe sahip bir elektrot malzemesidir. Bu elektrotun çalışma fonksiyonu, düşük dirence sahip olması onu OPV'ler için önemli bir hole taşıyıcı haline getirmektedir.Fakat ITO'nun kimyasal kararsızlığı, fiyatının pahalı olması ve artması, sert olması (elastik olmaması) elektronik pazarda etkisini yitirmesine sebep olmaktadır. Bu yüzden bu alanda ITO'ya alternatif olabilecek elektronik materyaller aranmaktadır. TDKNT'lerin tek boyuta sahip olmaları, mükemmel bir dizilişe sahip olmaları, sıradışı elektriksel ve mekaniksel özellikleri onları ITO'ya alternatif bir elektrot malzeme haline getirmiştir. Bu özellikleri ile TDKNT'ler bu alanda ITO'nun yerine kullanılabilecek bir materyal olarak kendine yer edinmiş ve zaman geçtikçe bu alanda daha da yayılmaktadır. Ayrıca elektriksel dirençleri, optik özellikleri yoğun elektron sahibi olmaları onların diğer bir önemli avantajlarıdır.KNT sentezinde; ark-boşalım, lazer buharlaştırma ve kimyasal buhar birikimi (KBB) yöntemleri uygulanmaktadır. Bunlardan KBB düşük maliyet, yüksek ve kaliteli ürün eldesi gibi sahip olduğu önemli avantajlardan dolayı, özellikle seri üretim için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Karbon kaynağı, katalizör, destek malzeme, sentez sıcaklığı ve süresi, katalizör kalsinasyonu, karbon nanotüp yapısını-morfolojisini ve karbon verimliliğini etkileyen önemli parametrelerdir. Tez çalışması kapsamında, İstanbul Teknik Üniversitesi–Enerji Enstitüsü, Malzeme Üretim ve Hazırlama Laboratuvarı'nda kimyasal buhar birikimi yöntemi ile asetilen hidrokarbon kaynağı, MgO destek malzemesi ve demir katalizörü kullanarak TDKNT'ler üretilmiş ve kimyasal oksidasyon yöntemi uygulanarak HNO3 ile saflaştırılmışlardır. TDKNT'lerin karakterizasyonu; termogravimetrik analiz (TGA), raman spektroskopisi ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen KNT'ler, cam malzeme (lam) üzerine dönel kaplama ve vakum filtrasyon işlemleri ile kaplanarak tarayıcı elektron mikroskobu (SEM), optik profilometre ve UV ölçüm cihazları ile karakteristik özelllikleri incelenmiştir. Hazırlanan TDKNT ince filmler, organik güneş pili üretiminde geçirgen elektrot olarak kullanılmış ve güneş sümülatörü ile pil verimleri incelenmiştir.

As the energy demand in the world increases, more and more extensive research is undertaken concerning renewable energy sources. Developing reliable and low-cost technologies to make use of renewable energy sources is the main objective of many research topics. Several researches are on-going to develop efficient photovoltaic devices which are used to convert solar energy directly to electricity.The aim of this work was to investigate how carbon nanotubes can be applied in the development of novel photovoltaic devices. This has been done by taking an existing system of single-walled carbon nanotubes on glass surfaces and adapting it to solar cell design. Organik photovoltaics require the use of a transparent electrode to allow photons to enter or exit the devices efficiently and to simultaneously allow the extraction or injection of charge carriers. Typically, indium tin oxide (ITO) is utilized as the electrode due to its excellent transparency throughout the visible spectrum, its relatively low sheet resistance, and its work function, which is compatible with the injection and collection of charge carriers in organik semiconductors.However, ITO may ultimately hinder the full market integration of organik electronics due to its increasing cost, lack of mechanical flexibility, chemical instability, and sustainability pertaining to the environment and material utilization. Therefore, alternatives for ITO in organik electronics are being pursued. Transparent electrodes comprised of single wall carbon nanotubes (SWNTs) are an appealing choice as a surrogate for ITO in organik electronics because of the extraordinary electrical and mechanical properties these structures possess, and the demonstrated potential of state of the art SWNT films. As such, the research presented in this dissertation has been conducted to advance the goal of manufacturing SWNT networks with transparent electrode properties that meet or exceed those of ITO. Optical transmittance observations, electrical sheet resistance measurements, and a theoretical understanding of carbon nanotube electronic density of states to clearly elucidate the effect of unintentional and chemically induced doping on SWNT films. There are many methods have been developed for KNT synthesis such as arc discharge, laser vaporization and chemical vapor deposition. Among them, chemical vapor deposition is widely used because of its advantages. CVD appears to be the most promising method because of its low-cost and high-yield production. KNT synthesis by CVD method involves hydrocarbon gas which passes through the tubular reactor in which a catalyst materials is present at high temperatures. At high temperature, hydrocarbon gas decomposes and KNTs grow on the catalyst in the reactor. In order to collect the KNTs, the system has to be cooled to room temperature. In this study, single-walled carbon nanotubes were synthesized by chemical vapor deposition method by using different support materials and catalysts at Material Production and Preparation Laboratory of Istanbul Technical University – Energy Institute. The relation between support materials and catalysts were investigated and the carbon efficiencies are determined for each product. Termogravimetric Analysis, Raman Spectroscopy and XRD were used for the characterization of the synthesized carbon nanotubes. Those KNTs were purified by nitric asid and then they coated on lam glass by spinning method and vakum filtration method. Scanning Electron Microscope (SEM), Optic Profilometer and U-V were used for KNTs characterization. Finally, TDKNTs were used as an electrodes in OPVs and the electrical features of OPVs were measured by solar simulator.