Katkılı TiO2 ve WO3 elektrokromik sistemlerinde Al3+/Li+ iyon difüzyonunun elektrokromik ve optik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasının amacı, TiO2 ve WO3 temelli elektrokromik cihazlarda Al3+ iyon bazlı sıvı elektrolitin renklenme mekanizması üzerindeki etkilerini kapsamlı biçimde incelenmektedir. Bu kapsamda, katkısız ve Mo katkılı TiO2 ve WO3 ince filmleri magnetron saçtırma (MS) yöntemiyle büyütülmüş; elde edilen filmlerin yapısal, elektrokimyasal ve optik özellikleri X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Küçük Açılı X-ışını Kırınımı (GI-XRD), Çevrimsel Voltmetre (CV), Kronoamperometre (CA) ve Spektroskopik Elipsometre (SE) teknikleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Renklenmeye sebep olan temel parametrelerin belirlenebilmesi amacıyla iki aşamalı numune seti hazırlanmıştır. İlk set ile filmlerin güç değerleri ve gaz akış hızları optimize edilerek filmlerin renklendiği koşullar belirlenmiş; bu parametreler sabitlenerek hazırlanan ikinci set ile iyon-film etkileşimleri detaylı biçimde araştırılmıştır. İkinci set numunelerinin tüm EC testleri kıyaslama yapabilmek amacıyla hem Li+ hem de Al3+ iyon bazlı sıvı elektrolitler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. TiO2 ince filmleri için yapılan analizler, Al3+ iyonlarının Li+ iyonlarına kıyasla belirgin biçimde üstün elektrokromik performans sağladığını göstermektedir. Al3+ iyon bazlı elektrolit ile %52.35'e varan optik modülasyon ve 30.18 cm2C-1 renklenme verimi (CE) elde edilirken, Li+ ile bu değerler sırasıyla %2.92 ve 3.05 cm2C-1 olarak elde edilmiştir. Bununla birlikte, Al3+ iyonlarının güçlü Coulombic etkileşimleri ve Cl- iyonlarının varlığı film bozunmasını hızlandırmış; Mo katkılama kırılma indisini arttırmasına rağmen yapısal kararlılığı yeterince iyileştirmemiştir. Bu çalışma, Al3+ iyon bazlı elektrolitlerin ultra ince TiO2 filmlerinde etkili renklendirmeyi mümkün kıldığını gösteren ilk çalışma niteliğindedir ve yüksek verimli, maliyet açısından avantajlı elektrokromik cihazların geliştirilmesine yönelik önemli bulgular sunmaktadır. WO3 ince filmlerinde yapılan analizler ise Al3+ iyonlarının optik modülasyonu arttırdığı, ancak renklenme verimini düşürdüğü yönünde sonuçlar vermiştir. Al3+ ile %26.06'ya kadar optik modülasyon elde edilirken Li+ ile bu değer %10.75'te kalmıştır. Buna karşın renklenme verimi değerleri Al3+ için 14.87 cm2C-1 ile sınırlı kalırken, Li+ elektroliti ile 54.58 cm2C-1 gibi çok daha yüksek bir performans elde edilmiştir. Al3+ iyonlarının WO3 filmlerinde de yapısal bozunmaya yol açtığı gözlenmiş olsa da, WO3 numuneleri TiO2'ye kıyasla daha yüksek yapısal kararlılık sergilemiştir. Al3+ iyonları ile yapılan elektrokromik testlerde TiO2 numuneleri yaklaşık 400 saniyeye kadar işlevini sürdürebilirken, WO3 filmleri 900 saniyeye kadar dayanım göstermiştir. En uzun ömürlü filmler, en yüksek kalınlığa sahip örnekler olmuştur. Sonuç olarak, bu tez çalışması Al3+ iyon bazlı elektrolitlerin TiO2 ve WO3 elektrokromik sistemleri üzerindeki etkilerini sistematik olarak ortaya koymaktadır. Özellikle ultra ince TiO2 filmlerindeki renklenme verimindeki dramatik artış ve WO3 filmlerindeki görece daha yüksek yapısal dayanım göz önüne alındığında, gelecek nesil yüksek performanslı elektrokromik cihazların tasarımına yönelik bilimsel ve teknolojik açıdan önemli çıkarımlar sunmaktadır.The aim of this thesis is to comprehensively investigate the effects of an Al3+ ion-based liquid electrolyte on the coloration mechanism of TiO2 and WO3 based electrochromic devices. In this context, undoped and Mo-doped TiO2 and WO3 thin films were deposited using magnetron sputtering (MS) and their structural, electrochemical, and optical properties were characterized by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Grazing Incidence X-ray Diffraction (GI-XRD), Cyclic Voltammetry (CV), Chronoamperometry (CA), and Spectroscopic Ellipsometry (SE) techniques. To identify key parameters governing coloration process, a two-stage sample set was designed. In the first stage, the power settings and gas flow rates were optimized to determine the conditions under which the films exhibit coloration. Based on the optimized parameters, a second sample set was prepared to examine ion-film interactions in detail. For comparative evaluation, all EC tests on the second set of samples were conducted using both Li+ and Al3+ based liquid electrolytes. Analyses of the TiO2 thin films revealed that Al3+ ions provide markedly superior electrochromic performance compared to Li+ ions. Using the Al3+ ion-based electrolyte, optical modulation of up to 52.35% and coloring efficiency (CE) of 30.18 cm2C-1 were achieved, whereas Li+ yielded only 2.92% optical modulation and a CE of 3.05 cm2C-1. Despite these significant performance improvements, the strong Coulombic interactions associated with Al3+ ions, along with the presence of Cl- ions, accelerated film degradation. Mo doping increased the refractive index but did not sufficiently enhance structural stability. This study presents the first demonstration that Al3+ ion-based electrolytes enable effective coloration in ultrathin TiO2 films and provides valuable insights for the development of high-efficiency, cost-effective electrochromic devices. Analyses performed on the WO3 thin films revealed that Al3+ ions increased optical modulation but reduced coloration efficiency. Optical modulation of up to 26.06% was achieved with Al3+, whereas this value remained at 10.75% for Li+. In contrast, coloration efficiency was limited to 14.87 cm2C-1 for Al3+, while significantly higher value of 54.58 cm2C-1 was obtained with the Li+ electrolyte. Although Al3+ ions were also found to induce structural degradation in WO3 films, the WO3 samples exhibited greater structural stability compared to TiO2. Under electrochromic cycling with Al3+ ions, TiO2 samples maintained their functionality for approximately 400 seconds, while WO3 films endured up to 900 seconds. The longest operational lifetimes were observed in the thickest films. In conclusion, this thesis systematically reveals the effects of Al3+ ion-based electrolytes on TiO2 and WO3 electrochromic systems. The dramatic enhancement in coloration efficiency observed in ultra-thin TiO2 films and the relatively higher structural stability of WO3 films, provides valuable scientific and technological insights for the development of next-generation high-performance electrochromic devices.