Fabrication of Metal-Organic Framework Structure Doped Tio2 Based Dye Sensitized Solar Cells (dsscs) and Determination of Their Photovoltaic Parameters

Abstract

Bu tez çalışmasında, boya duyarlı güneş pillerin (DSSC) verimini iyileştirmek amacıyla kullanılan çeşitli fotoanot malzemelerinin performansını optik soğurma özellikleri, elektron yaşam ömrü, rekombinasyon direnci açısından incelenmiştir. Çalışmada, sentezlenen MOF yapılar (MOF-5, ZIF-67, MIL-101, nano-MIL-101), grafen oksit (GO) katkılı ve GO/MOF ortak katkılı fotoanot bileşenli DSSC aygıtların verimlilikleri incelenmiştir. Araştırmanın ilk kısmı optimizasyon çalışmalarında MOF solüsyonları ile DSSC1 sette TiO2 fotoanot yüzey modifikasyonu, toz MOF yapı katkılı pasta ile hazırlanan fotoanot bileşenli DSSC2 seti çalışılmıştır. Katkılamanın fotovoltaik parametrelere etkisi üç ayrı ışık kaynağı altına incelenmiştir. Çalışmanın devamında; fiziksel ve fotovoltaik karakteristikleri belirlemek için GO, MOF katkılı ve GO/MOF ortak katkılı filmler cam ve FTO alttaş üzerine 'Doktor Blade' metodu ile kaplanmıştır. Hazırlanan filmlerin, kristallografik özellikleri, moleküler bağ yapıları, yüzey karakteristikleri ve soğurma özellikleri sırasıyla XRD, FT-IR, FE-SEM ve UV-Vis ölçümleri yardımıyla incelenmiştir. XRD yardımıyla filmin polikristal TiO2 (anataz ve rutil fazda) yapıda olduğu kaydedilmiştir. Katkılı filmlerin optik bant aralığında daralma belirlenmiştir. Katkılı fotoanotlar için optik soğurma ve boya tutunma kapasitesi verimi etkileyen kritik faktörler olarak değerlendirilmiştir. Fiziksel özellikleri tanımlanan katkılı fotoanot bileşenli DSSC aygıtların fotovoltaik parametrelerini ve verimi (ɳ) belirlemek için güneş simülatörü altında (100 mW/cm2) akım-gerilim (I-V) ölçümleri alınmıştır. Pillerin rekombinasyon dinamiklerini araştırmak için elektriksel impedans spektroskopisi (EIS) ölçümleri alınmıştır. Elektron yaşam ömrü, rekombinasyon direnci, elektronların etkin bir şekilde iletime katılmasının pil verimini etkileyen önemli faktörler olduğu kaydedilmiştir. Araştırma sonuçları, GO, MOF katkılı ve GO/MOF ortak katkılı fotoanot bileşenli DSSC'lerin verimlerinin katkısız DSSC'nin veriminden daha yüksek olduğunu göstermiştir. Farklı katkılı fotoanotlar arasında nano-MIL-101 katkılı olan en yüksek verimi sağlamış, diğer katkılı fotoanotların bazı sınırlamalar gösterdiği tespit edilmiştir. Bunun nedeni, MOF yapılı molekülün hem elektronik geçiş olasılığını hem de gözenekli yapısı sayesinde duyarlaştırıcı boyanın tutunacağı yüzey alanını artırması olarak izah edilebilir. Bu bulgular, DSSC teknolojisinin performansını artırmak için malzeme seçimi ve tasarımı konusunda önemli bilgiler sunmaktadır.

In this thesis, the performance of various photoanode materials used to improve the efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSCs) is investigated in terms of optical absorption properties, electron lifetime and recombination resistance. In this study, the efficiencies of DSSCs based on the synthesized MOF structures (MOF-5, ZIF-67, MIL-101, nano-MIL-101), graphene oxide (GO) doped and GO/MOF co-doped photoanodes were investigated. In the first part of the research, photoanode surface modification in DSSC1 set by using MOF solutions, photoanode component DSSC2 set prepared by using powder MOF structure doped paste was studied. The effect of doping on photovoltaic parameters was investigated under three different light sources. In the continuation of the study, GO, MOF doped and GO/MOF co-doped films were coated on glass and FTO substrates by the Doctor Blade method to determine the physical and photovoltaic characteristics. The crystal structures, molecular properties, surface morphology and elemental analysis and optical features of the prepared films were investigated by XRD, FT-IR, FE-SEM-EDX and UV-Vis measurements, respectively. By using XRD, it was recorded that the films have a polycrystalline TiO2 (anatase and rutile phase) structure. The optical band gap of the derived films narrowed with doping. Optical absorbance, dye loading capacity of doped photoanodes were evaluated as critical factors affecting on the efficiency of DSSCs. Current-voltage (I-V) measurements were performed under the solar simulator (100 mW/cm2) to determine the photovoltaic parameters and efficiency (ɳ) of the DSSCs with doped photoanodes, with defined physical properties. Electrical impedance spectroscopy (EIS) measurements were carried to investigate the recombination dynamics of the cells. It has been recorded that electron lifetime and recombination resistance, effective participation of electrons into the current transportation are the factors, affecting the efficiency. The research results showed that the efficiencies of GO, MOF doped and GO/MOF co-doped photoanode based DSSC are higher than the efficiency of the undoped DSSC. Among different doped photoanodes, the nano-MIL-101 doped one has provided the highest efficiency, while other doped photoanodes were found to have some limitations. The reason for this can be explained as the fact that the MOF molecules promotes both the possibility of electronic transition and the surface area for dye loading with their porous structure. These results provide important information on material selection and design to increase the performance of DSSC technology.