Tek adımlı elektrokimyasal biriktirme yöntemi ile sentezlenen CXTS (X=Co,Fe,Zn,Ni,Mn) yarıiletken malzemelerin boya duyarlı güneş hücrelerinde karşıt elektrot olarak kullanılması

Abstract

Bu çalışmada, Cu2XSnS4 (X = Zn, Mn, Ni, Fe and Co) ince filmleri sülfürsüz ortamda 500 oC sıcaklık ve 60 dk parametrelerinde tavlama işlemi gerçekleştirilerek tek adımlı elektrokimyasal biriktirme yöntemi kullanılmış ve başarıyla Cu2XSnS4 ince filmleri elde edilmiştir. Elde edilen filmlerin yapısal fiziksel ve elektriksel özellikleri, X-Işını Difraksiyonu (XRD), Raman Spektrometresi, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılım Spektrometresi (EDS), X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Elektrokimyasal Empedans Spektrumu (EIS) ve Döngülü Voltametri (CV) yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. XRD difraksiyonu ve Raman spektrumuna göre filmler kristal özelliğe sahip olduğu ve filmlerin yapısında ikincil fazların gözlemlenmediği bulunmuştur. Dahası, elde edilen filmlerin yüzey alanı geniş ve pürüzsüz bir yüzey ve yüksek iletkenliğe sahio olduğu bulunmuştur. CV analizine göre, filmlerin elektrokatalitik aktiviteleri Co elementinin yüksek iletkenliğinden dolayı Cu2CoSnS4>Cu2FeSnS4 >Cu2ZnSnS4>Cu2NiSnS4>Cu2MnSnS4 şeklinde sıralanmıştır. Ayrıca Cu2CoSnS4 filminin diğer filmlere göre daha kristalin ve yüksek yüzey alanına sahip olduğu gözlemlenmiştir. Cu2XSnS4 türevi filmlerin herbiri, Boya Duyarlı Güneş Hücreleri'nde (BDGH) karşıt elektrot olarak, maliyeti yüksek olan Platin (Pt) yerine kullanılmıştır. Sonuç olarak, Cu2CoSnS4, Cu2FeSnS4, Cu2ZnSnS4, Cu2NiSnS4 ve Cu2MnSnS4 karşıt elektrotlu BDGH'lerinin enerji dönüşüm verimlilikleri sırasıyla, %3,0 %2,94, %2,40 %1,93 ve %1,1 bulunmuştur. Bu sıralama elektrokatalitik aktivite ile benzerlik göstermektedir. Cu2CoSnS4 filmi karşıt elektrot olarak BDGH'sinde kullanıldığında, en uzun elektron transfer ömrüne ve en iyi anahtarlama özelliğine sahip olduğu gözlemlenmiştir. BDGH'sinde karkarşıt elektrot olarak CuMnSnS4 kullanıldığında ise, güneş hücresinden kısa elektron transfer ömrüne ve en kötü anahtarlama özelliğine sahip olan yarıiletken olduğu bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar tek adımlı elektrokimyasal biriktirme yöntemi ile sentezlenen CXTS ince filmlerinin BDGH'inde karşıt elektrot olarak, maliyet/performans açısından Pt yerine daha uygun olduğunu göstermektedir.

In the current work, Cu2XSnS4 (X = Zn, Mn, Ni, Fe and Co) thin films were grown via one-step electrodeposition technique following sulphur-free annealing procedure at 500 oC for 60 min and employed as counter electrodes (CEs) instead of high-cost platinum in dye-sensitized solar cell (DSSC). The structural, physical and electrical properties of CXTS thin films were studied by means of X-ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, Scanning Elektron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and Cyclic Voltammogram (CV) measurements. XRD and Raman analyses reveal that CXTS films possess fine crystallite structure with no secondary phases. Furthermore, the CXTS CEs demonstrate a densely packed and rough surface morphology, suggesting a large surface area and high conductivity. Moreover, CV analyses confirm that the electrocatalytic activities of the CXTS CE were ordered as Cu2CoSnS4>Cu2FeSnS4>Cu2ZnSnS4>Cu2NiSnS4>Cu2MnSnS4 due to the highest conductivity of Co, the better crystallite and the largest surface area of Cu2CoSnS4 CE. As a result, power conversion efficiencies were extracted from current density-voltage (J-V) as 3.0 % 2.94 %, 2.40 %, 1.93 % and 1.1 % for Cu2CoSnS4, Cu2FeSnS4, Cu2ZnSnS4, Cu2NiSnS4 and Cu2MnSnS4 CEs based DSSCs, respectively. This can be ascribed to similar trend of electrocatalytic activities of CXTS thin films. As expected, the Cu2CoSnS4 shows the longest electron lifetime and best start/stop capability. In the case of Cu2MnSnS4 based cell exhibits the shortest electron lifetime and the lowest start/stop capability. The obtained results suggest that CXTS thin films synthesized via one-step electrodeposition technique can be promising candidate instead of Pt for low-cost and highly efficient DSSCs owing to their composition include earth abundant materials and their simple fabrication processes.