Anodizasyon koşullarının gözenekli silisyum esaslı hidrojen pili parametrelerine etkisi

Abstract

Bu tezde boyutları nano mertebesinden mikro mertebesine kadar değişen ve verimli Metal-Gözenekli silisyum (GS) esaslı hidrojen pili yapılması hedeflenmiştir. 1960?lı yılların sonundan itibaren dünyanın her tarafında görülen hızlı nüfus artışı, kentleşme, sanayileşme, ısınma gibi durumlar artan bir elektrik tüketimini ve buna bağlı olarak da yakıt tüketimini beraberinde getirmiştir. Petrol fiyatlarının yükselmesi, kaynaklarının sınırlı olması ve çevre problemleri nedeniyle, petrol ve kömüre dayalı klasik yöntemlerle elektrik enerjisi üretimine alternatif olarak yenilenebilir kaynakların kullanımı gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Hidrojen enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde önemli ölçüde yer almaktadır. Gözenekli silisyum hidrojen pili bu tür kaynakların uygulamalarına örnek olarak verilmektedir. Gözenekli silisyum (GS), kristal yapılı, boşlukların nanometre/mikrometre boyutlu silisyum bir ağ ile çevrelenmiş ve geniş yüzey alanı (~103 m2cm-3) ile karakterize edilen, tek kristal silisyumdan elektrokimyasal anodizasyon yöntemi ile elde edilen bir malzemedir. Elektrokimyasal aşındırma (anodizasyon) ile üretilen gözenekli silisyumun (GS), aşındırma koşulları ve tek kristal silisyumun iletkenlik tipi, katkı konsantrasyonunun değiştirilmesi ile gözenek boyutlarının ayarlanabilir olması (mikrometre-nanometre) dikkat çekmektedir. Yapının gözenekliliği, Metal/Gözenekli Silisyum/Silisyum yapıların hidrojen pili olarak kullanılmasına yeni bir bakış açısı kazandırmıştır. Gözenekli silisyumun üzeri çeşitli metallerle kaplanarak Metal/GS/Si yapılar üretilir. Metal/GS/Si elektriksel açıdan incelendiğinde Schottky tipi kontak özelliği gösterir. Bu yapı, farklı konsantrasyonlu, hidrojen içeren sıvılara daldırıldıkları zaman kendiliğinden açık devre gerilimi (Voc) ve kısa devre akım yoğunluğu (Isc) oluşturmaktadır. Metal-GS-Si yapı hidrojen içerikli bir sıvıya yerleştirildiğinde bir tür kondansatöre benzemektedir. Yapının metal kısmı H+ iyonlarını su moleküllerinden ayrıştırarak GS kısmında birikmeye zorlamakta, bu birikme Si kısmında elektron birikmesine neden olmaktadır. Metal ve Si `den birer kontak alınırsa bir potansiyel fark meydana gelmektedir. Bu bir açık devre gerilimidir (Voc). Açık devre geriliminin değişimi ortamdaki hidrojen miktarı ile orantılı olarak değişmektedir. Metal-Gözenekli Silisyum-Silisyum (Metal-GS-Si) yapının hidrojen pili olarak kullanımına izin vermektedir. Yapılmış olan tezde gözenekli silisyumun hazırlanma koşulları (anodizasyon şartları) değiştirilmiştir. Değiştirilen hazırlama koşulları ışık şiddeti, gözenekli silisyum oluşturma zamanı, kullanılan HF konsantrasyonu derişimi ve kullanılan akım yoğunluğudur. Gözenekli silisyum 15 mA/cm² lik akım yoğunluğu, 1:3 HF:dH2O çözeltisi kullanılarak, ışık kaynağı ile Si arasındaki uzaklık 8 cm tutularak ve anodizasyon süresi 5-10-25-40-55-70-90-120 dakika olacak şekilde değiştirilerek üretilmiştir. Bu şartlar altında oluşturulan GS örneklerin SEM analizleri yapılmıştır. Alınan kontaklar arasında potansiyel fark oluşturarak açık devre gerilimi ve kısa devre akımı ölçülmüştür. Bu şartlar altında ölçüm yapılan en ideal örnekte Voc=542mV ve Isc=34,2µA olarak belirlenmiştir. Gözenekli silisyum 15 mA/cm² lik akım yoğunluğu, 1:3 HF:dH2O çözeltisi kullanılarak, anodizasyon süresi 55 dk sabit tutularak, ışık kaynağı ile Si arasındaki uzaklık 3-6-9-12-15-20-30 cm olacak şekilde değiştirilerek üretilmiştir. Bu şartlar altında oluşturulan GS örneklerin SEM analizleri yapılmıştır. Alınan kontaklar arasında potansiyel fark oluşturarak açık devre gerilimi ve kısa devre akımı ölçülmüştür. Bu şartlar altında ölçüm yapılan en ideal örnekte Voc=385mV ve Isc=20µA olarak belirlenmiştir. Gözenekli silisyum 1:3 HF:dH2O çözeltisi kullanılarak, anodizasyon süresi 55 dk, ışık kaynağı ile Si arasındaki uzaklık 8 cm sabit tutularak, akım yoğunluğu 4, 8, 12, 16, 20, 25, 30, 50 mA/ cm² olarak değiştirilerek oluşturulmuştur. Oluşan GS yapıların GS örneklerin SEM analizleri yapılmıştır. Alınan kontaklar arasında potansiyel fark oluşturarak açık devre gerilimi ve kısa devre akımı ölçülmüştür. Bu şartlar altında ölçüm yapılan en ideal örnekte Voc=170mV ve Isc=11,46 µA olarak belirlenmiştir. Gözenekli silisyum anodizasyon süresi 55 dk, ışık kaynağı ile Si arasındaki uzaklık 8 cm, akım yoğunluğu 15mA/ cm² sabit tutularak HF:dH2O çözeltisi 1:3, 1:5, 1:7, 1:10, 1:12, 1:15 olarak değiştirilerek oluşturulmuştur. Oluşan GS yapıların GS örneklerin SEM analizleri yapılmıştır. Alınan kontaklar arasında potansiyel fark oluşturarak açık devre gerilimi ve kısa devre akımı ölçülmüştür. Bu şartlar altında ölçüm yapılan en ideal örnekte Voc=150mV ve Isc=1,32 µA olarak belirlenmiştir. Değiştirilen bu şartlar sayesinde gözenek boyutları değişmiştir. Elde edilen yapılar sonucunda da pilin gücünde artış gözlenmiştir.