Fabrication and electrical characterization of sonochemically grown nanostructured ZnO dye sensitized solar cells

Abstract

Yaşamı çevreleyen her system, hayatını devam ettirmesi için, farklı yöntemlere başvurmuştur. Yeryüzünde yaşıyan insanlığın da, ihtiyaçlarını gidermesi, hayatını kolaylaştırması ve yaşam kalitesini arttırması için bazı sistemlere yada cihazlara ihtiyacı olmuştur. Bu sistemleri çalıştırmak, cihazları kullanabilmek için öncelikle kendi gücünü kullanmış kendi gücünün yetersiz olduğunu zamanlarda da yük hayvanlardan yararlanmıştır. Tükettiği enerji her daim artmaya devam etmiştir. Enerjiyi önceleri yük hayvanları ile gidermeye çalışsa da ihtiyacın ve çalışma sürelerinin artması, insanlığı fosil yakıtlara yöneltmiştir. Enerjiyi fosil kaynaları kullanarak elde etmiş, fakat bu seferde küresel ısınmalara sebep olmuş, hatta dünyanın dengesi bozmuştur. Bunun ötesinde fosil yakıtların fazla kullanılması limitli miktarda bulunan fosil kaynakların azalmasına da neden olmuştur. 1973 yılında petrolün arzı, talebin altında kalmış ve krizlere neden olmuştur. Bu andan sonra da küçük çapta da olsa enerji ihtiyacını karşılamak için faklı enerji kaynakları araştırılmaya başlanmıştır. Bu çalışmalar ile yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı lüks değil zaruri bir durum haline gelmiştir. Bu yönde çok sayıda araştırma yapılmış etkili sonuçlar elde edilmiştir.Enerji ihtiyacının gün geçtikçe artması sebebiyle, alternatif enerji kaynaklarının, özellikle fotovoltaik hücrelerin hayatımızdaki önemi gün geçtikçe artmaktadır. Bu çalışmada, yenilenebilir enerji kaynağı olarak güneş enerjisi ile kullanılmıştır.Güneş enerjinisin temiz ve sürekli enerji olmasına karşın kullanıcı miktarı oldukça düşüktür. İnorganik malzemelerden yapılan güneş pilleri oldukça maliyetlidir. Ayrıca esnek olmadıkları için uygulama alanları da kısıtlıdır. Büyük molekül ağırlığına sahip organik moleküller istenen özelliğe göre kolaylıkla değişim sağlayabilmeleri, daha ucuz olmaları, yüksek çözünürlükleri ve ayrıca farklı tip yüzeylere uygulanabilmeleri gibi avantajlarından dolayı fotovoltaik teknolojisinin vazgeçilmez bir adayı olmuştur.Organik fotovoltaik hücreler iki metal elektrot arasına organik bazlı malzemelerin sıkıştırılmasıyla oluşmaktadır. En popüler kullanılan aygıt tipi biri donör (p) diğer akseptör (n) malzemelerin birlikte kullanıldığı malzeme tipleridir. Ayrıca malzemelerin kimyasal yapılarında değişiklik yapmak mümkün olabildiği gibi ilave malzemlerle de, verimi arttırmak mümkündür.Çinko Oksit (ZnO), geniş exciton band aralığına (3.37 eV) sahip bir yarı ilekendir. Bu özelliğinin dışında, ilgi uyandıran bazı optoelektronik özelliklerindeki çeşitlilik, (mükemmel derecede transparan olması gibi), iletken karakteristiğinin iyi olması, güneş pilleri, fotodedektörler ve görüntüleme cihazları gibi, uygulama alanlarında fazlasıyla kullanılmasına olanak tanımıştır. Piezoelektrik etkisi ile, enerjinin soğurulmasında konusunda, önemli derecede ilgi uyandırmıştır. Bu özellikleri ile farklı bilimsel dallar (mühendislik, malzeme bilimi, biyolojik bilimler gibi) tarafından kullanılmaktadır. Nano-elektronik uygulamalar için, hızlı ve düşük maliyetli ZnO nano çubuk elde edilmesi ve seri imalatı önemlidir. Dikey olarak hizalanmış ZnO nanoçubuklar nispeten kısa zamanda, sonikasyon yöntemi ile elde edilmişlerdir. Fakat bu yöntemde pahalı ZnO kaplı levhalar kullanılır. Ya da üzerine ince film şeklinde ZnO tohum katmanı kaplamak gerekir. Bu tezde, sonochemical method ile tohumlama ve ZnO nano çubuk dizilerinin levha üzerine büyütülmesi üzerinde durulacaktır. Bu çubuklar, farklı türde levhalar üzerine, oluşturulabilmektedir. Nano çubukların oda sıcaklığında ve uygun çevre koşullarında büyütülmesi, geleneksel biriktirme yöntemleri ile karşılaştırıldığında (Buharlaştırma, Kimyasal Buhar Çöktürme ve Püskürtme gibi) süre olarak oldukça kısadır.ZnO kristalleri farklı fiziksel ve kimyasal yöntemlerle çok değişik yapılarda örneğin nanoçubuk (nanorod), nanotel (nanowire), nanotüp (nanotube) ve nanoçiçek (nanoflower) şeklinde sentezlenebilir. ZnO ince filmlerin elde edilmesi için laser biriktirme (PLD) , metal organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD), elektrolizle kaplama (electrodeposition), hidrotermal, kimyasal banyo depolama (CBD), ultrasonik gibi yöntemler kullanılabilir. Bu tez çalışmasında, ZnO nano çubuklar uygun bir şekilde, basit, hızlı ve düşük maliyetli bir yöntem olan sono kimyasal metot kullanılarak cam alt-tabakalar üzerinde biriktirildi. Sentezleme işleminden önce FTO levha temizlendi. FTO nun temizlenme işleminden sonra ZnO tohumlama işlemi yapıldı. Bu işlem, zinc acetate dihydrate ve isopropyle alcohol solüsyonu içine FTO levhanın bırakılması ile yapıldı. FTO levha 30 dakika sonike edildi. Daha sonra zinc nitrate tetrahydrate ve hexamethylentetraimine karışımı iyonsuzlaştırılmış su içine çözüldü. ZnO tohum kaplanmış FTO levha üzerine, yine ultrasonik sonikasyon yöntemi kullanılarak, ZnO nano çubukların büyütülmesi işlemi yapıldı. Değişik büyütme şartlarında farklı örnekler büyütüldü. Sonuçlar, yüksek genlikteki uzun reaksiyon süresinde yapılan biriktirmeler, düşük genlikte ve kısa sürede yapılanlara kıyasla daha iyi sonuçlar sergilemiştir. Yüzeyler yoğun kaplanmıştır. ZnO nanotellerin çapının, büyütme solüsyonunun sık değiştirilmesiyle azaldığı ve solüsyonda sürekli büyütme yapıldığında ise arttığı görülmüştür. Yine ZnO nanotellerin şekli ultrasonic genlikte yapılan arttırma/azaltma ile değiştiği anlaşılmıştır.Bu tezde, sonochemical yönteminin basit olduğu, seri üretimin hızlı yapılabileceği vurgulanmıştır. ZnO nanotellerin düşük maliyetli yüzeylerde büyütülebilir olması, üretim maliyetinin azalmasına ve sonuçta elektronikte, optoelektronikte ve enerji dönüşüm uygulamalarında kullanılan malzemelerin üretim maliyetini düşürebileceği anlaşılmıştır.

Each system, in order to maintain their life in the universe, requires energy. For the Mankind, there are some requirements to continue living on the planet Earth. To meet these needs, a number of devices and systems have produced. To run this system and mechanisms, initially its power used and then, more energy is needed to meet growing needs. This energy was formerly obtained from animals however, to meet the growing needs which require more energy, people turned to fossil based energy which has over time caused global warming while reducing remaining resources. In 1973, following a small-scale oil crisis research for various alternative energy sources increased rapidly. With these studies, the importance of renewable energy sources emerged and with activities in this direction, there has been rapid progress. Alternative energy sources, especially fotovoltaic cells are getting more and more crucial in our lives as our energy need continues to increase. In this study, solar energy has been worked on as a renewable energy resource. Although Solar Energy is clean and constant energy, amount of use is relatively low. Solar cells made from inorganic materials are quite costly. It also has limited application as they are not flexible. Because of the advantages of photovoltaic technology such as ease of change depending on the desired functionality, cheaper, high resolution and ability to apply on different types of surfaces, organic molecules with a large molecular weight have become indispensable candidates.High molecular weight organic molecules present the following advantages: ease of adaptation according to desired property, less expensive, through resolution and ability to apply on many different surfaces. Because of photovoltaic technology advantages, they are indispensable and will be continue to be a constantly evolving candidate. Organic photovoltaic cells based on organic material between two metal electrodes are formed by compression. The two most popular electrods are donors (p-type) and receptors (n-type). Organic Photovoltaic Cell is produced by using them together. It also may be possible to make changes in the chemical structure of the material to increase the efficiency with additional material.Zinc Oxide (ZnO) is a semiconductor, which has a large exciton band gap (3.37 eV). In addition, its compelling diversity in some optoelectronic properties (such as being perfectly transparent)and good conductive characteristics have enabled the use of (ZnO) in a number of application areas, such as solar cells, photodetectors and imaging devices. The piezoelectric effect in the absorbed energy has aroused considerable interest. With these features, different branches of science (such as engineering, materials science, biological sciences) have been used. It is rapid and cost-effective to obtain ZnO nano-rods and series production for nano-electronic applications. Vertically aligned ZnO nanorods in a relatively short time, were obtained by sonication method. However, expensive ZnO coated substrate is used in this method to in the ZnO seed layer thin film. In this thesis, complete insemination by sonochemical method and ZnO nano-rod sequences will focus on the growth of the substrate. These rods can be formed on different types of substrates at room temperature and growth of the nano rod at ambient conditions by sonochemically method as compared with conventional deposition methods (Such as evaporation, Spray, Chemical Vapour Deposition) require less time. ZnO crystals can be synthesized in the form very different structures with different physical and chemical methods such as nanorods, nanowires, nanotube and nanoflowers. In order to obtain ZnO thin films, a number of methods were used, such as laser deposition (PLD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD),electroplated coatings (of electrodepositio), hydrothermal, chemical bath storage (CBD)and ultrasonic methods.In this thesis, ZnO nanorods were synthesized on Fluorine Doped Tin Oxide substrates by a simple, fast and cost efficient method. Prior to synthesization, fluorine doped tin oxide substrate was cleaned. After FTO substrate cleaning, ZnO seedlayer was first deposited on the substrate by sonicating the substrate in a solution of zinc acetate dihydrate in isopropyle alcohol, before the growth of ZnO nanorods. Growth of ZnO nanorods were achieved by sonication of substrate in a solution of zinc nitrate tetrahydrate and hexamethylentetraimine in deionized water. Several different samples were grown by changing the growth condition. The results indicated that the longer reaction time at the maximum amplitude exhibits the best result when the surface was densely coated with nanorods compared to those grown in a short time. It was also observed that the diameter of the ZnO nanorods decreased by refreshing the growth solution and increased in the continuously grown sample. The size of ZnO nanorods was also found to decrease by increasing the ultrasonic amplitude. In this thesis, the sonochemical method is used to emphasize that ZnO nano-wires can be grown at a low cost surface as mass-manufacturable process, resulting in a reduction of production cost of electronics, optoelectronics and energy conservation practices.