İki adımlı elektrokimyasal kaplama yöntemiyle yeni nesil Cu2XSnS4 (X= Co+2, Fe+2, Mn+2, Ni+2, Zn+2) ince filmlerinin sentezi ve karşıt elektrot olarak boya-duyarlı güneş pili uygulamaları

Abstract

Bu tez çalışmasında, iletken bir cam yüzeyine iki adımlı elektrokimyasal kaplama yöntemiyle büyütülen Cu2XSnS4 (X= Co+2, Fe+2, Mn+2, Ni+2, Zn+2) ince filmlerinin karakterizasyonu ve bu ince filmlerin boya duyarlı güneş pillerinde (BDGP) karşıt elektrot olarak kullanımı araştırılmıştır. X-ışını kırınımı (XRD) ve RAMAN spektroskopisi analizlerinden ince filmlerinin yüksek saflık ve kristalitede oldukları, ikincil fazları içermedikleri anlaşılmıştır. İnce filmlerin morfolojik özelliklerini incelemek amacıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. SEM sonuçları filmlerin altlık malzemesi yüzeyine iyi tutunduklarını ve Cu2CoSnS4 (CCTS), Cu2FeSnS4 (CFTS) ve Cu2MnSnS4 (CMTS) filmlerinde tanecikli yapıların Cu2NiCoSnS4 (CNTS) ve Cu2ZnSnS4 (CZTS) filmlerine oranla daha belirgin boyutlarda olduğunu göstermiştir. Döngülü voltametre (CV) analiz sonuçlarından Co elementinin yüksek iletkenliğe sahip olması nedeniyle CCTS ince filminin dış devreden üzerine gelen yükleri hızlı bir şekilde sıvı elektrolite geri kazandırarak diğer ince filmlere göre daha iyi bir elektro-katalitik özellik gösterdiği anlaşılmıştır. Dahası, akım yoğunluğu-gerilim (J-V), gelen fotonu akıma dönüştürme verimi (IPCE), açık devre voltaj bozunumu (OCVD) ölçümlerinde en iyi performansı CCTS karşıt elektrotu ile üretilen BDGP göstermiştir. Bu sonuçlar, Co elementinin yüksek iletkenliği ve altlık yüzeyine iyi tutunması ve küçük iyon çapı sayesinde sıvı elektrolit ile etkileşim için daha geniş yüzey alanı sağlayarak elektron transfer hızının artması gibi özelliklere atfedilebilir. CXTS ince filmlerinin güneş pili verimlilik değerleri ise CCTS numunesi için beklenildiği gibi daha yüksek (% 5,55) ve CFTS numunesi de ona yakın bir değer (% 5,14) göstermiştir. Diğer BDGP'ler için bu değerler; CMTS (% 2,87), CNTS (% 4,44) ve CZTS (% 3,77) olarak bulunmuştur. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, kolay ve ucuz bir üretim metodu olan iki adımlı elektrokimyasal kaplama yöntemi ile üretilen CXTS ince filmlerinin BDGP uygulamaları için uygun birer aday olabileceği kanıtlanmıştır.

In this thesis, the characterization of Cu2XSnS4 (X= Co2+, Fe2+, Mn2+, Ni2+, Zn2+) thin films grown by a two step electrochemical deposition method on a conductive glass surface and the use of these thin films as counter electrode in dye sensitized solar cell (DDSC) have been investigated. X-ray diffraction (XRD) and RAMAN spectroscopy analyzes have revealed that the thin films have high purity and crystallinity and do not contain secondary phases. Scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the morphological properties of the thin films. SEM results showed that all thin films were well adhered to the substrate surface and granular structures in Cu2CoSnS4 (CCTS), Cu2FeSnS4 (CFTS),Cu2MnSnS4 (CMTS) films were more prominent than Cu2NiCoSnS4 (CNTS) and Cu2ZnSnS4 (CZTS) films. Furthmore using cyclic voltammetry (CV), we demonstrated that the CCTS films show a higher electrocatalytic activity than that of the other thin films due to the high conductivity of the Co element CCTS films which collect the electrons more efficiently from external circuit and transport them faster to electrolyte. The DSSC having a CCTS counter electrode exhibited the best performance in current density-voltage (J−V), incident photon conversion efficiency (IPCE) and open circuit voltage decay (OCVD) measurements. These results can be attributed to the high conductivity of the Co element, good adhesion to the substrate surface and increased electron transfer rate by providing a larger surface area for interaction with the liquid electrolyte due to the small ion diameter. The solar cell efficiency values of CXTS thin films showed a higher value (5.55 %) as expected for the CCTS sample and a close value (5.14 %) for the CFTS sample. The efficiency values for other DSSCs are; CMTS (2.87 %), CNTS (4.44 %) and CZTS (3.77 %). As a result, the experiment results indicate that that CXTS thin films produced by electrochemical deposition, which is an easy and inexpensive manufacturing method, can be suitable candidates for DSSC applications.