Design, production and industrial applications of ferroelectric photovoltaic cells
Ferroelektrik fotovoltaik hücrelerin dizaynı, üretilmesi ve endüstriyel uygulamaları
- Tez No: 666303
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET TÜRK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Manisa Celal Bayar Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde, LaFe1-xMnxO3 (x = 0, 0.5 ve 1) ferroelektrik malzeme tozları, boya duyarlı güneş pili uygulamaları için sol-jel yöntemi ile hazırlanmıştır. Bu bağlamda, öncül olarak (La, Fe ve Mn) nitrat tuzları, çözücü olarak saf su ve şelatlama maddeleri olarak sitrik asit monohidrat ve amonyum hidroksit kullanılarak sentezler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen jel filmleri 200 °C'de 2 saat kurutulmuştur, daha sonrasında 500 ve 850 ° C sıcaklıklarda 2 saat hava ortamında tavlanmıştır. Toz numunelerin termal, yapısal, mikroyapısal, partikül boyutu, optik ve manyetik özellikleri Diferansiyel Termal Analiz-Termogravimetrik Analiz (DTA-TGA), Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), X-Işını Kırınımı (XRD), X ile karakterize edildi. -Ray Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Partikül Boyutu Analiz Cihazı (PSA), UV Vis Spektrofotometre ve Titreşimli Numune Manyetometresi (VSM) cihazları ile belirlenmiştir. DTA-TGA sonuçları, numunelerden çözücülerin uzaklaştırılması, yanması, ayrışması, oksidasyonu ve faz oluşumuna bağlı olarak 29 °C ile 1000 °C arasındaki sıcaklıklarda endotermik ve ekzotermik reaksiyonların gözlemlendiğini ortaya koymuştur. 500 ve 850 °C'de tavlanan La-Fe-Mn bazlı tozların spektrumu incelendiğinde, organik ve hidroksil gruplara karşılık gelen absorpsiyon bantlarının bulunmadığı görülür. 400-1000 cm-1 aralığındaki tüm ferroelektrik tozların FTIR spektrumları, farklı bölgelerde MO bağlarının (M = La, Fe ve Mn) varlığını doğrulamaktadır. XRD bulguları ise, sentezlenmiş perovskit tozlarının mükemmel kristalliğe sahip olduğunu göstermektedir ve ferroeletrik tozların kristallit boyutlarının tahmi edebilmek için (20 nm ila 36 nm arasında) Scherrer Denkleminin kullanılmıştır. LaFeO3, LaMnO3 ve LaFe0.5Mn0.5O3 tozlarına ait XPS spektrumlarda La-3d5, Fe-2p ve Mn-2p görülmüştür. SEM analizleri kserojellerin yapıları yüksek su tutma kapasiteleri nedeniyle aglomere ve yoğun ağlı yapılara sahip, partikül boyutları ise ∼4 μm ila 40 μm arasında, ısıl işlemden sonra azalan su tutma özelliği sebebiyle ve partikül boyutları 500 oC için ∼50 nm ila 1500 nm aralığında ve 850 oC için ∼50 nm ila 250 nm aralığı oludğunu açıklamıştır. Partikül boyutu analizi yapıldığında ise değer 58-1400 nm aralığında bulunmuştur. UV-Vis Spektrometre sonuçları, tüm partiküller üzerinde ölçülen optik bant aralığı değerlerinin (Eg) 0.93 - 2.42 eV aralığında bulunduğunu göstermektedir. Tüm analizlere ek olarak, ferroelektrik tozlar güçlü ferromanyetik davranış gösterir. Her iki sıcaklıkta sentezlenen her üç malzeme de ferromanyetik özellikler görülmüştür ve her iki Fe bazlı ferroelektrik tozun ferromanyetik özellikleri artan tavlama sıcaklığı ile azalmaktadır. Bu analiz sonuçları, perovskit bazlı hücrelerin performansını ve verimliliğini daha da artırma olasılığı olduğunu ortaya koymaktadır. Bu ferroelektrik malzeme tozları, boya duyarlı güneş hücresi uygulamalarında kullanılmıştır. Boyaya duyarlı güneş hücresi uygulamasında, iki FTO kaplı iletken cam hücre kontağını oluşturmuştur. Bu iletken cam yüzeylerden biri önce TiO2 ve ardından Triton X-100 kullanılarak macun benzeri yapı haline getirlen ferroelektrik malzeme tozu (LaFeO3) doctor blade tekniği ile kaplanmıştır, diğer iletken cam yüzey Pt kaplanmıştır. Bu iki yüzey 5 mm ofset ile üst üste yerleştirilir ve her iki taraftan klipslenir. Elektrolit (iyodür/tri-iyodür redoks çifti içeren) iki yüzey arasında transfer ortamı olarak enjekte edilir. Güneş simülatörü ile güneş pilinin akım-gerilim değerleri elde edildi açık devre gerilimi (Voc) 0.3V, kısa devre akımı (Isc) 0.0000142A, Vmax 0,2 V, Imax 0.0078 mA, fill faktörü (FF) % 0.366197 olup verimleri (η-PCE) %0.001114 olarak hesaplanmıştır. Bu tez ile başarılı bir ferroelektrik fotovoltaik hücre elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, LaFe1-xMnxO3 (x = 0, 0.5, and 1) ferroelectric powders were prepared via sol-gel method for dye-sensitized solar cell applications. With this context, precursor solutions were synthesized from all nitrate salts of the respective cations (La, Fe and Mn), using distilled water as a solvent, and citric acid monohydrate and ammonium hydroxide as chelating agents. The obtained gel films were dried at 200 °C for 2 hours and then annealed at temperatures of 500 and 850 °C for 2 hours in air. The thermal, structural, microstructural, particle size, optical and magnetic properties of the powder samples were characterized by Differential Thermal Analysis-Thermogravimetric Analysis (DTA-TGA), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-Ray Diffraction (XRD), X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Scanning Electron Microscopy (SEM), Particle Size Analyzer (PSA), UV Vis Spectrophotometer and Vibrating Sample Magnetometer (VSM) machines. DTA-TGA results revealed that endothermic and exothermic reactions are observed at temperatures between 29 °C and 1000 °C due to solvent removal, combustion, decomposition, oxidation, and phase formation of the samples. The spectrum of La-Fe-Mn based powders annealed at 500 °C and 850 °C shows an absence of absorption bands corresponding to organics and hydroxyl groups. FTIR spectra of, in the range 400-1000 cm-1, all perovskite samples confirm the presence of MO bonds (M=La, Fe, and Mn) in different sites. XRD findings show that the as-synthesized perovskite powders have excellent crystallinity, and Scherrer's Equation is used for the estimation of crystalline sizes (within 20 nm to 36 nm). Survey scan and high-resolution XPS spectra of La-3d5, Fe-2p and Mn-2p for LaFeO3, LaMnO3 and LaFe0.5Mn0.5O3 samples are given. SEM analysis revealed that xerogels have agglomerated into dense networks and their particle sizes are in the range of ∼4 μm to 40 μm because of their high water-holding capacity, after heat treatment, they show poorer water holding property and their particle sizes become lower such as at 500 oC in the range of ∼50 nm to 1500 nm and 850 oC in the range of ∼50 nm to 250 nm. The particle size distributions were denoted for all-ceramic powder materials, and values were determined in the range of 58-1400 nm, respectively. UV-Vis Spectroscopy analysis results show that the optical band gap values (Eg) as measured on all particles were found in the range of 0.93 - 2.42 eV. In addition to all analyses, the annealed powders show strong ferromagnetic behavior. All three materials synthesized at both temperatures show ferromagnetic properties and the ferromagnetic properties of both Fe-based ferroelectric powders decrease with increasing annealing temperature. These results revealed that there is a possibility to further increase the performance and efficiency of perovskite-based cells. These ferroelectric powders were used in dye-sensitized solar cell (DSSC) applications. In the DSSC, two FTO coated conductive glass cell contacts. One of these conductive glass surfaces was coated the first TiO2 and then with a doctor blade technique using a paste-like ferroelectric material powder (LaFeO3) using Triton X-100, while the other conductive glass surface was coated with Pt. These two surfaces are placed on top of each other with a 5 mm offset and clipped on both sides. Electrolyte (containing iodide/tri-iodide redox couple) is injected as the transfer medium between the two surfaces. With the solar simulator, the current-voltage values of the solar cell were obtained open-circuit voltage (Voc) is 0,3V, short circuit current (Isc) is 0.0000142A, Vmax is 0.2 V, Imax is 0.0078 mA, Fill Factor (FF) is 0.366197%, and their efficiency ((η-PCE) was calculated as 0.001114%. With this thesis, a successful ferroelectric photovoltaic cell has been obtained and it is aimed to be a guide for future studies.
Benzer Tezler
- Endüstriyel üretim aşamasında STEAM uygulamaları örneği ve sofra seramiği alanında kullanımı
An example of STEAM applications in industrial production and its use in the field of table ceramics
AYSUN ERZİNCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Güzel SanatlarDumlupınar ÜniversitesiSanat ve Tasarım Ana Sanat Dalı
PROF. DR. LEVENT MERCİN
- Virtual modelling, planning and production of parts of an industrial robot
Endüstriyel robotun sanal modellenmesi , işlem planlaması ve parça üretimi
ŞÜKRÜ BÜLENT TOKER
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLGİN KAFTANOĞLU
- Endüstriyel amaçlı robot kol tasarımı ve üretimi
Design and production of an industrial robotic arm
YUSUF HAMİDA EL NASER
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Mekatronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DURMUŞ KARAYEL
- Endüstriyel uygulamalar için pasif bir üst ekstremite dış iskeletin tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a passive upper-extremity exoskeleton for industrial applications
BUSE TÜMGÖR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiNiğde Ömer Halisdemir ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ YUSUF ŞAHİN
- Dijital ikiz çağının endüstriyel tasarım üzerindeki etkileri ve uygulamalarının incelenmesi
Examining the impacts and applications of the digital twin age on industrial design
RANA ÇÖLLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Endüstri Ürünleri TasarımıGazi ÜniversitesiEndüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN RIZA BÖRKLÜ