TÜBİTAK MFAG01.02.2015TÜBİTAK ile ABD Ulusal Bilim Vakfı (NSF) arasındaki işbirliği çerçevesinde, silisyum nanoteller metal yardımlı aşındırma yöntemiyle elde edilerek güneş gözesi ve Li-iyon pil üretiminde kullanılmıştır. Bu projedeki temel amacımız yüzey yapılarının şeklini, boyutunu, dağılım ve yoğunluğunu kontrol edecek yeni yöntemler geliştirmek ve farklı yapılar için reçeteler üretmektir. Bu kapsamda ışıkla modüle edilmiş metal yardımlı aşındırma prosesinde Si nanotellerin oluşumu yeni bir metot olarak incelenmiştir. Bunun yanı sıra Si alttaşların yüzey yapısı üzerine farklı kimyasalların etkisi morfolojik analizlerle ve optik ölçümlerle incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, Si nanotellerde kümelenme ve eğimli olma durumunun temel kaynağının nanotellerin dibindeki reaksiyon cephesinde enine hareket olduğunu göstermiştir. Bu olay Si yüzeyindeki farklı bölgelerde ışıkla üretilmiş elektron-hol çiftinin homojen olmayan dağılımını ortaya koymaktadır. Nanoteller endüstriyel boyutta tek kristal Si güneş pilleri (156 mm × 156 mm) güneş pillerine uygulanmıştır. Mavi-mor bölgeyi de içine alan bütün görünür bölgede yüzeyden yansıma 5%'den daha az bir değere düşmüştür. Güneş gözelerini üretmek için Si nanoteller oluşturularak standart güneş gözesi üretim işlemleri uygulanmıştır. Önerilen fikrin potansiyelini ortaya çıkaran sonuçlar nanotellere sahip güneş gözelerinin verimlerinin standart piramit desenli gözelere yakın olduğunu göstermiştir. Si nanoteller aynı zamanda sonikasyon yöntemi ile alttaşlardan koparılıp Li-iyon pillere uygulanmıştır. n-tipi Si nanotellere sahip piller p-tipinden elde edilenlere kıyasla daha iyi bir pil performansı göstermiştir. n tipi nanotellerden oluşturulan piller 1500 mAh/g üzerine çıkan yüksek kapasite ve yaklaşık %97 coulomb verimi göstermiştir. Bu proje Si nanotel oluşum mekanizmasının temel yönlerini açığa kavuşturmakla birlikte üzerine yapılabilecek olası uygulamaları ve nano-yapılı malzeme üretim prosesi için yeni yollar ortaya koymaktadır. Oldukça umut verici sonuçlar veren bu tür aygıtların daha da geliştirilmesi için yeni çalışmaların yürütülmesi gerekmektedir. Proje önerisi 12 ay gibi nisbeten kısa bir sürede çok sayıda iş yapmayı hedefleyen bir proje olarak sunulmuştur. Uluslararası bir organizasonu da içeren zorlu bir programı olan proje hedeflerine büyük ölçüde ulaşmıştır. Çok sayıda deney ve çalışma yürütülmüştür. Bu çalışmaların bir özeti bu sonuç raporunda sunulmuştur.As part of the bilatereal cooperation project between TUBITAK and National Science Foundation (NSF), silicon nanowires (Si NWs) fabricated by metal assisted etching (MAE) method have been used to fabricate solar cell and Li-ion batteries. Our main aim in this project is to develop methodologies to control the shape, size, and the distribution of the surface structures and density, and generate recipes for different structures. In this context, a novel method to manipulate Si NWs with a light-modulated MAE process has been investigated. In addition to this, the effect of different chemicals of etching process on the surface structure of silicon wafers have been studied through morphology analysis and optical measurements. Experimental results for the Si nanowires has shown that the main origin of the nanowire inclination and clustering is preferential lateral movement of the reaction fronts at the bottom of the SiNWs. Evidence suggests a relationship of this phenomenon to the inhomogeneous distribution of photo-generated electron–hole pairs at the Si surface in different areas. Nanowires were applied to industrial size (156 mm × 156 mm) monocyrstalline Si solar cells. The reflectivity from the device surface was reduced to less than 5% for the entire visible spectrum (350–750 nm), including the blue–violet region. Standard solar cell fabrication procedures were employed to fabricate cells with and without Si nanowires, and the results showed that the efficiencies of solar cells with nanowires were similar to those of standard pyramid- textured cells, revealing the potential of the proposed concept. Si NWs were also applied to Li-ion batteries after detaching from the silicon wafer substrates by sonication. Batteries with n-type Si NWs showed better performance in comparison with the p-type ones. n-type nanowire batteries exhibited high capacities, over 1500 mAh/g, with nearly 97% Coulombic efficiency. This project not only elucidated fundamental aspects of the mechanism of SiNW formation, but also provided prospective applications and new routes for modulation in other noble metal etching systems and similar nanostructure fabrication processes. All results have shown some promising features. However, they need to be studied and optimized for an actual application. It was submitted as an ambitious study to be performed in a relatively short time. In addition to its scientific and technical program, it also included international oragnization tasks, which sometimes slows down the project execution. In spite of these difficulties, and the heavy content, we have achived most of the goals through extensive experiments and studies. Below, we present a summary of our project acitivities and the results obtained from these studies
