Investıgatıon of lıthıum salts-nonıonıc surfactant lyotropıc lıquıd crystallıne mesophases ın a dye sensıtızed solar cell as gel electrolytes
Li̇tyum tuzlari ve i̇yoni̇k olmayan yüzeyakti̇f li̇yotropi̇k sivi kri̇stal fazlarin boya duyarli güneş hücreleri̇nde jel elektroli̇t olarak kullanilmasi
- Tez No: 395484
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER DAĞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Liyotropik Sıvı Kristal, Mezofaz, Güneş Hücresi, Jel Elektrolit, Redoks Çifti, Lityum Tuzları, Lyotropic Liquid Crystal, Mesophase, Solar Cell, Gel Electrolyte, Redox Couple, Lithium Salts
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 122
Özet
Sıvı kristaller, kimyada en çok araştırılan ve kullanılan maddelerden bir tanesidir. Sıvı kristallerin özellikleri bu maddeleri araştırmayı ve çeşitli elektrokimyasal uygulamalarda kullanmayı da ilginç kılmaktadır. Bu amaçla, LiI, LiCl, LiBr, ve LiNO3 gibi lityum tuzları iyonik olmayan yüzey aktif maddeler yardımıyla liyotropik sıvı kristal (LSK) mezofazları oluşturmak için birleştirilebilir, ve çeşitli uygulamalarda jel elektrolit olarak kullanılabilir. Bu çalışmada, diğer lityum tuzlarının (LiCl, LiBr, ve LiNO3) ekli olduğu ve olmadığı, lityum iyodürün LSK mezofazları 10-lauril eter (C12H25(CH2CH2O)10OH; C12EO10 olarak da ifade edilebilir) kullanılarak hazırlandı. Bu numuneler, FT-IR (Fourier dönüşümlü infrared spektroskopisi), Raman spektroskopisi, XRD (X-ışını kırınımı), POM (polarize optik mikroskopisi), ve alternatif akım iletkenlik ölçümleri kullanılarak karakterize edildi. Ayrıca, LiI/I2 redoks çifti iyonik olmayan yüzey aktif maddeler yardımıyla LSK mezofazında hazırlandı, ve yine yukarıda bahsedilen teknikler kullanılarak karakterize edildi. Bu mezofazlar hem belirli oranlarda tuz ve yüzey aktif maddeyi karıştırıp, az miktarda su eklenerek jel olarak; hem de fazla miktarda çözücü (su, etanol, ya da asetonitril) eklenerek çözelti olarak hazırlanabilir. Çözelti olarak hazırlanan numunelerin fazla miktarda olan çözücüleri buharlaştıktan sonra LSK mezofazlarını oluşturdukları görüldü. Numunelerin jel ya da çözelti olarak hazırlanmaları farketmeksizin, havayla etkileşime girdiklerinde son kalan su miktarlarının aynı olduğu görüldü. Numunelerin içinde bulunan su miktarlarının; tuz miktarına ve ortamdaki neme bağlı olduğu görüldü; ve yapılan ölçümler sonucunda su/tuz stokiyometrik oranı 3.0 olarak hesaplandı. Bu su miktarı, kullanılan lityum tuzlarını sulu ortamda çözmek için gerekli olan su miktarından çok daha azdır; ve anyonların Hofmeister serisini izler. Kullanılan tuzlar içinde en çok su tutanı LiCl olmakla birlikte, yapının içindeki su miktarının sıralaması LiCl > LiBr > LiI > LiNO3 şeklinde olmasına rağmen iletkenlik sonuçlarının LiNO3 > LiCl > LiBr > LiI sıralamasını izlediği görüldü. Numunelere lityum iyodür tuz miktarının onda biri kadar I2 eklemek oluşturulan mezofazların özelliklerini değiştirmemektedir. Ayrıca, tuz ve su miktarları arttıkça iletkenliğin de arttığı gözlemlenmiştir. Bunun dışında, oluşturulan mezofazların geniş bir sıcaklık aralığında ve çok uzun süre kararlı olduğu söylenebilir. Son olarak, oluşturulan LiI/I2 mezofazlar boya duyarlı güneş hücrelerinde jel elektrolik olarak kullanıldı. Farklı oranlarda birçok numune hazırlandı, ve en iyi sonuç verenin LiI/I2 oranının 10 olduğu numuneler olduğu gözlemlendi. 1:0.1, 2:0.2, 3:0.3, 4:0.4, ve 5:0.5 şeklinde hazırlanan numuneler içinde de en iyi verimin 2:0.2 numunesine ait olduğu görüldü. Bu numuneler boya duyarlı güneş hücrelerinde test edildi. Bu güneş hücreleri yapılırken N719 kodlu boya, TiO2 kaplanmış anot, ve Pt kaplanmış katot kullanıldı. Fakat, jel elektrolit olarak hazırlanan numunelerin, titanyum dioksitin yapısında bulunan gözeneklerin içine girmesi çok zor olduğundan verimlerin de düşük olduğu görüldü. Bu sorunu çözmek için, bu numuneler çözelti olarak hazırlanıp o şekilde test edildi. Çözücü olarak su, etanol, ve asetonitril denendi, ve en iyi sonucun etanol ile olduğu görüldü. Ayrıca başta kullanılan TiO2 prosedürü değiştirilerek optimal hale getirildi. Boya duyarlı güneş hücrelerinde jel elektrolitler kullanıldığında alınan verim 0.2 %, ve doluluk oranı 0.50 olarak hesaplandı. Su bazlı sistemde çalışıldığı için voltaj değerleri diğer çalışmalara göre daha düşük çıkmaktadır. Fakat, jel elektrolitteki bazı problemleri çözmek amacıyla fazla miktarda etanol kullanılarak çözelti şeklinde hazırlanan elektrolitlerle 3.33% verim, 0.6 V voltaj, ve 9.58 mA/cm2 akım elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Liquid crystals are one of the most widely studied and used materials in chemistry. The properties of liquid crystals make them interesting to research also for various electrochemical applications. In this context, lithium salts such as LiI, LiCl, LiBr, and LiNO3 can be assembled using non-ionic surfactants into lyotropic liquid crystalline (LLC) mesophases[1], [2] and used as gel electrolytes in various applications. In this work, the LLC mesophases of LiI with and without other lithium salts (such as LiCl, LiBr, and LiNO3) were prepared using 10-lauryl ether (C12H25(CH2CH2O)10OH, denoted as C12EO10) and characterized using the FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), Raman spectroscopy, XRD (X-Ray Diffraction), POM (Polarized Optical Microscopy), and AC conductivity measurements. Beside from single salt-surfactant mesophases, we also prepared LiI/I2 redox couple in an LLC phase with the help of a non-ionic surfactant and they were also characterized using the same techniques. We found out that the mesophases can be prepared as gels by directly mixing salt and surfactant with certain amounts of water or as solutions using excess solvent (such as water, ethanol, or acetonitrile) that can be evaporated to form the LLC mesophases. The water content of both sets of samples is the same upon exposing to the atmosphere for a certain time and it only depends on the salt amount and humidity under the ambient conditions (around room temperature and 20-25 % RH). The required water/salt ratio for a stable mesophase is around 3.0 which, it is much lower than the water needed to dissolve those salts in an aqueous media. The water/salt mole ratio closely follows the Hofmeister series of anions, where the water amount order is as follows; LiCl>LiBr>LiI>LiNO3, however, the AC ionic conductivity follows a different order; LiNO3>LiCl>LiBr>LiI. Adding I2 by 1/10 mole ratio of the LiI into the media does not change the properties of the mesophases. The AC conductivity increases with increasing salt and water content of the mesophases with a typical conductivity of around 0.1 to 1.0 mS/cm-1. The mesophases are also stable in a very broad temperature (below 0 °C to 60-130 °C) and salt concentration (2-10 salt/surfactant mole ratio) ranges. Finally, the LiI/I2 mesophases were used as gel-electrolytes in dye sensitized solar cells (DSSCs) as gel-electrolytes and redox couples. A set of samples were prepared with different ratios of the LiI:I2 redox couple (such as, 1:0.1, 1:0.2, 2:0.2, 2:0.3, 3:0.2, 3:0.3, 4:0.4, and 5:0.5) and the solar performances were tested in a DSSC, which contains N719 dye sensitized TiO2 anode and Pt cathode using a solar simulator. However, the LLC phases have gel like structure and it is hard to infiltrate the gel into the pores of dye modified nano-TiO2 films. To overcome the diffusion problem, the gel-electrolytes were also prepared as a solution in excess water, ethanol or acetonitrile that evaporates upon infiltration over time. In addition to this, by changing the procedure of preparing the TiO2 paste, improvement on results was also obtained. The DSSC provides 0.2 % efficiencies with 0.50 fill factors when gel-electrolytes are used. Since water is used for preparing the LLC phases, we had always lower Voc values. However, when it is prepared as a solution with excess ethanol, it provides up to 3.33 % efficiencies with 9.58 mA/cm2 short circuit current and 0.6 V open circuit voltage. Also, new procedure for preparing the TiO2 paste provides us even higher Voc values such as 0.76 V, which is unusual for the water based LLC electrolytes in this area.
Benzer Tezler
- Investigation of lithium salt-nonionic surfactant mesophases and their applications in solar cells as gel electrolyte
Lityum tuzlarının iyonik olmayan yüzey aktiflerle oluşturdukları arahaller ve bu yapıların güneş hücrelerinde jel elektrolit olarak uygulamaları
GÖZDE BARIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER DAĞ
- Hekzadeka sübstitüe ftalosiyaninlerin X-ışını kristallografisi ve NMR spektroskopisi ile yapısal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the structural properties of hexadeca-substituted phthalocyanines by X-ray crystallography and NMR spectroscopy
ARMAĞAN ATSAY
- Acıgöl'den potasyum - magnezyum tuzları ve lityum üretim olanaklarının incelenmesi
Investigation of potassium-magnesium salts and lithium production possibilities from Acıgöl
MAHMUT ESER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
KimyaAfyon Kocatepe ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEHRA EBRU SAYIN
- Bazı polimerik sistemlerin oluşturduğu süspansiyonların elektroreolojik özelliklerin incelenmesi
Investigation of electrorheological properties of suspensions formed by some polymeric systems
MUSTAFA YAVUZ
- Investigation on lithium salt-surfactant lyotropic liquid crystalline mesophases: Characterization, role of water, and electrochemical behaviors
Lityum tuzlarının oluşturduğu liyotropik sıvı kristal fazlar: Karakterizasyon, suyun rolü, ve elektrokimyasal davranışlar
EZGİ YILMAZ TOPUZLU
Doktora
İngilizce
2021
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER DAĞ
DOÇ. DR. BURAK ÜLGÜT