An experimental investigation of high purity single walled carbon nanotubes as transparent electrode materials
Tek duvarlı karbon nanotüp saflaştırması ve geçirgen elektrot oluşturulması konusunda deneysel çalışmalar
- Tez No: 405040
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ELİF ÜLKÜ ARICI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Dünya ekonomisi hızla büyüdükçe, enerji tüketimi çok hızlı bir şekilde artmaktadır Bu enerjinin büyük bir kısmı bilindiği üzere fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. fosil yakıtlar atmosferdeki CO2 derişimini arttırmakta ve dolayısıyla gerek çevre gerek iklim üzerinde olumsuz etkiler yaratmaktadır. Bu olumsuz etkiler dünya genelinde sıcaklık ortalamasının 1900'lü yıllara oranla yaklaşık 1 derece artmasına ve iklimsel dengelerin değişmesine yol açmıştır. Bu nedenlerle, tüm dünyada petrol ve doğal gaza daha az bağımlı, çevre-dostu yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi ve günlük hayatımıza uyarlanması arayışı içine girilmiştir. Her yıl Dünya yüzeyine düşen güneş enerjisi, tüm dünyanın yıllık enerji tüketiminin 15.000 katıdır. Bu devasa enerji kaynağından yararlanabilmek, enerji probleminin çözümü için en ideal yoldur. Güneş panelleri, gürültüsüz, zehirli artıklar üretmeyen, sera gazı yayımı olmayan, kurulduktan sonra bakım gerektirmeyen bir teknoloji olduğu gibi, elektrik enerjisi istendiğinde, son kullanıcının yakınında üretilebilmekte ve taşıma kayıplarını ve masraflarını da ortadan kaldırmaktadır. Günei enerjisi teknolojilerin bir kısmı güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren kollektör sistemleri olup, diğer önemli teknoloji ise, güneş enerjisini elektrik enerkisine çeviren fotovoltaik sistemlerdir. Güneş pilleri olarakta adlandırılan bu cihazlarda, yarıiletken malzemelerin ışığı soğurması ile oluşan eksitonların (elektron-boşluk çifti), iki elektrot arasında oluşan elektrik alanında ayrışması (dissaziation) ve elektronların katoda, pozitif yük taşıyan boşlukların ise anoda yönlenmesi ile elektrik akımı üretilir. Klasik silikon kökenli güneş pilleri üretiminde; kullanılan ileri teknoloji, malzemenin saflaştırılması ve kristallenmesi için gereken yüksek ısı (1500-1800 C), ince tabaka oluşturulurken kaybolan malzeme ve benzeri nedenlerden dolayı harcanan enerji yüksektir. Seri üretime geçildiğinden, inorghanik güneş pillerinde maliyetler giderek azalmıştır. Enerji dönüşüm verimi yaklaşık olarak % 15-%17 civarındadır. organik güneş pillerin dönüşümün temel basamakları, güneş ışığının soğurulması, yük ayrışması, yük transportu ve yüklerin toplanmasıdır. Konjuge polimerlerde π-bağlarını oluşturan delokalize Pz – orbitalleri, gerçekte iki farklı orbital meydana getirmektedirler: düşük enerjili bağlayıcı orbitaller (π) ve yüksek enerjili karşıt bağlayıcı orbitaller (π*). Bu iki orbital arasındaki enerji farkı organik yarıiletken malzemenin enerji bant aralığına (Eg) karşılık gelir. Bant aralığı değerleri 0,5 eV' tan 4 eV'a kadar değişen yarı iletken konjuge polimerler, çoğunluğu görünür bölge ışığından etkilenir. Işık, yeterli bir enerji ile molekül tarafından soğurulduğunda, bir elektron temel hal enerji bandından (HOMO) uyarılmış hal enerji bandına (LUMO) geçer.yani, enerji bant aralığına eşit veya daha büyük enerjide ışığın soğurulması ile π*-orbitallerinde elektron ve π- orbitallerinde elektron boşluğu meydana getirilmektedir. İletkenlik bandındaki elektronları ve valans bandındaki elektron boşluklarının serbest olunur. Eksitonun ayrışması, metal kontak ile organik yarıiletken ara yüzeyinde veya farklı elektron akseptör veya donör özellikteki molekül ara yüzeyinde gerçekleşebilir. Yarıiletken polimer ve fulleren türevlerinin harmanlanması ile oluşturulan katmanlarda. Elektron ilgisi daha yüksek olan malzeme diğerinin iletkenlik bandından (ELUMO, Donör) elektron alabilir, bu nedenle de akseptör olarak adlandırılır. Düşük iyonlaşma potansiyeline (IP) sahip malzeme ise temas halinde bulunduğu yarıiletkenin değerlik bandından (VB) elektron boşluğu alabilir, bu nedenle boşluk iletken malzeme ya da elektron donör malzeme olarak adlandırılmaktadır. Yüklerin transferinin, iyonlaşma potansiyeli düşük olan donör ve elektron ilgisi (EA) yüksek olan akseptörün ara yüzeyinde meydana gelir. Organik güneş pili, iş fonksiyonu farklı iki metal elektrot arasına yapılan aygıtlardır. Bu elektrotlardan bir tanesi anot diğeri de katottur. Katot elektron alarak indirgenen malzemeyi anot ise elektron vererek yükseltgenen malzemeyi ifade eder. Elektrik alanının ayırdığı yükler çoğunlukta oldukları bölgelere gittikten sonra elektron, elektron alıcısı olan katoda, boşluk ise anoda doğru çekilir ve böylelikle elektrik alanının ayırdığı bu yükler devrede dolanarak akıma katılmış olurlar. İdeal morfoloji, eksiton difüzyon mesafesinin 10 nm civarı olduğu varsayılırsa, iç içe geçmiş donör/akseptör ağ yapısının 10 nm'lik bir nanomorfolojiye sahip olmasını gerektirir. Böylece, olabildiğince uzun donör/akseptör ara yüzeyinde, donör polimerin ışıkla etkileşimi sayesinde oluşan eksitonlar, ara yüzeyde etkili bir şekilde ayrışırlar. Diğer yandan, ayrışmış yüklerin elektrotlara ulaştırılabilmesi için hem donör hem de akseptör ağının mümkün olduğunca kesintisiz bir şekilde zıt elektrotlara yönlenmesi gerekmektedir. Bütün bu senaryo, hacim heteroeklem güneş pillerinde nano-morfolojinin ne kadar önemli olabileceğini göstermektedir. Organik güneş pilleri Yarı-iletken polimerler, sıvı kristaller, fulleren türevi 1-(3-metoksikarbonil) propil 1-1 fenil-[6,6]-metanofulleren (PCBM) gibi organik çözeltilerden ince film oluşturabilen malzemeler, püskürtme, dönel-kaplama (spin-coating) teknolojisi, esnek veya sert elektrot tabakaları üzerine hazırlanabilirler, ve bu teknolojinin getirdiği avantajlarla (üretim maliyeti düşük, her türlü elektrot üzerine kaplanabilen, esnek, hafif, seri üretime uygun, boyutları kullanım alanına göre rahatlıkla uyarlanabilen) özdeşleşirken, küçük organik moleküller vakum işleminin getirdiği avantajlarla ( az malzeme sarfı, üretim kontrolü kolay teknoloji) yanı sıra, hafif ve esnek olmaları da anılırlar. Ucuz üretim teknolojisinin, güneş pillerinin, günlük hayatta kullanılmasına ( Laptop charger, mobile charger,...) imkan verir. Organik güneş pilleri, verimliliği arttırıldığı takdirde, gerek düşük maliyetleri, gerekse esnek, hafif, katlanabilir yapıları nedeniyle bazı kulanım alanlarında, inorganik güneş pillerinin yerini alabilir. Organik güneş pillerinde en kritik faktör, uluslararası birçok araştırma grubunun da üzerinde çalıştığı, maliyet artışı olmadan enerji dönüşüm verimliliğinin arttırılması konusudur. Opto-elektronik cihazlarda ve güneş pillerinde elektrot olarak genelde indium çinko oksit (ITO) kaplı cam tabakalar kullanılır. Indium kaynaklarının az olması nedeniyle, bu malzeme gün geçtikce, pahalılaşmaktadır. Karbon nanotüp (CNT) ince filmleri, şeffaf elektrot ITO) yerine kullanılabilecek en uygun alternatiflerdir. CNT'lerın en büyük avantajı yüksek esneklikte ince film oluşturmasıdır. Ayrıca bu filmlerin çözeltiden hazırlanması, maliyeti düşürür. Sentez sonrasında SWNTlerde 1:3 oranında metalik NT oluşmaktadır. 2:3 oranında ise p- tipi yarıiletkenlik özelliğine sahip SWNT oluşmaktadır. Metalik SWNTler ışık geçirgen iken, p-tipi olanlar ışığı (......nm)de soğurur. Ancak, instristik olarak p-tipi iletkenliğe sahip CNT yüzeyleri çok düşük miktarda katkı maddeleri ( HNO3 vs.) kullanılarak % 85 - % 90 oranında ışık geçirgen, iletken tabakalar oluşturmak mümkündür. CNT katkılanması hem serbest yük miktarını arttırdığından hem de tüpler arasındaki direnci azalttığından, CNT iletkenliğini katkılayıcı derişimine bağlı olarak, yarı-iletken CNTleri metalik CNTlere dönüştürür. CVD yöntemi ile sentezlenmiş karbon nanotüpleri, asidik ortam içinde uygun yüzey aktif maddeler kullanılarak ve dört aşamalı kimyasal yöntemiyle saflaştırmak ve doplama uygulanır. Isıl ağırlık analiz metodu (TGA) , X-ışını (X-Ray) ve Raman ölçümleri kullanılarak saflaştırma yönteminin dört basamakları sonunda % 98 üzeri saf CNT ağırlığına ulaşım, doğrulanır. Çözelti, püskürtme, dönel kaplama (spin-coating), daldırmalı kaplama (dip-coating) yöntemleriyle olabileceği gibi, kimyasal buharlaştırma yöntemiyle de, CNT ince filmleri hazırlanmaktadır. CNT ince film hazırlanmasında risk teşkil eden faktörler, morfolojide kararlılık, az pürüzlü yüzeylerin oluşturulması, kontrollü ve homojen p-tipi kararlı katkılanma, homojen optik/elektriksel geçirgenlik olabilir esnek veya sert elektrot tabakaları üzerine hazırlanabilirler esnek veya sert elektrot tabakaları üzerine hazırlanabilirler esnek veya sert elektrot tabakaları üzerine hazırlanabilirler esnek veya sert elektrot tabakaları üzerine hazırlanabilirler. bu calışma da çözeltı çok şeffaf ve sürekli ince örgü spin kaplama üzerinden farklı yüzey aktif kullanan CNT ince filmler yapılandırılmış hazırlanan. spin kaplama yontemıle ve farklı yüzey aktif maddeler kullanarak son derece şeffaf ve gayet iyi gözenekli yapılı CNT ince filmler hazırlandı. İnce film morfolojisi ve iletkenlik arasındaki denge, yüzey aktif maddeler ve CNT demetleri arasındaki moleküler etkileşimler tarafından kontrol edilir. Bu etkileşimler temas açısı ölçümleri tarafından sınıflandırılmıştır. CNT duvarları ile güçlü etkileşimlere sahip olan yüzey aktif maddeler, kolayca büyük ölçekli ince filmler oluştururlar. Ancak moleküler etkileşimler zayıf olduğundan, yalıtkan yüzey aktif madde değiştirilmesi ve CNT elektrot doping daha etkilidir. Bu nedenle, elde CNT elektrotların elektro-kimyasal özellikleri, karşılaştırma amacıyla, çevrimsel voltametre karakterize edilir. Çalışmalarımız göstermektedir ki, SDS (sodyum dodesil sülfat) ile hazırlanmış CNT ince film elektrotları, DOC (sodyum deoksikolat), NMP (N-metil-2-pirolidon) ve SDBS (sodyum dodesilbenzen sülfonat), yüzey aktif madde olarak kullanılarak CNT elektrotlar, kıyasla daha iyi performans yol açtığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Thin films of carbon nanotubes (CNTs) are suitable alternatives to indium tin oxide, the mostly used transparent electrode for opto-electronic devices and solar cells. A big advantage of CNTs is their thin film preparation from solution together with high flexibility. A three step chemical method using suitable surfactants in acidic media has been applied to purify and to dope carbon nanotubes synthesized by CVD method. A purity of more than 98 wt. % is verified by thermal gravimetric analysis, X-ray and Raman spectroscopy. We prepared afterwards highly transparent and continuous fine mesh structured CNT thin films using different surfactants via spin coating. The balance between thin film morphology and conductivity is controlled by the molecular interactions between the surfactants and CNT bundles. These interactions have been classified by contact angle measurements. Surfactants having strong interactions with CNT walls can form easily large-scale thin films, but the replacement of the insulating surfactant and doping of the CNTs electrode is more effective, when the molecular interactions are weak. Therefore, electrochemical properties of the prepared CNT electrodes are characterized using cyclic voltammetry, for comparison. Our studies demonstrate that CNT thin film preparation using SDS (Sodium dodecyl sulphate) leads to better performing CNT electrodes in comparison to electrodes investigated using DOC (Sodium deoxycholate), NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) and SDBS (Sodium dodecylbenzene sulfonate) as surfactants.
Benzer Tezler
- Plazma spreylenmiş Cr3C2-NiCr ve Al203-TiO2 kaplamaların abraviz aşınma davranışlarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
UĞUR PAMUK
- Al-butoksit'in sol-jel yöntemi ile modifikasyonu ve oluşan ürünün kaplamada kullanılması
Modification of Al-butoxide by the sol-gel process and using the product as coating material
GAMZE GÜL AVCI
- Özel grafitlerin delik delme işleminin incelenmesi
Investigation of drilling process on speciality graphites
MUSTAFA YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Bigadiç klinoptilolit rezervinin NH+4 değişimi ve CO2 adsorpsiyonu yardımıyla karekterizasyonu
Başlık çevirisi yok
AHMET SİRKECİOĞLU
- Alüminyum 7075 alaşımının akışla şekillendirme ve yaşlandırma işlemi sonrası mikroyapı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the microstructure and mechanical properties of aluminum 7075 alloy after flowforming and ageing process
ABDULKERİM KELLECİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN