Binalarda Enerji Tasarrufu Sağlayan Niobyum Katkılı Vanadyum Dioksit Esaslı Termokromik İnce Filmlerin Geliştirilmesi ve Karakterizasyonu
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2018
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Eren Doğan
Danışman: Ali Erçin Ersundu
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Dünya'nın enerji ihtiyacı her geçen gün artmaktadır. Buna bağlı olarak, enerjinin verimli kullanılması gerekliliği durumu, kullanılan enerjinin kullanıldığı ortamda gerçekleşen kayıplarının azaltılması ile sağlanabilir. Dünya genelinde, binaların kullanılan toplam birincil enerjinin %40'ını tükettiği görülmektedir. Binalarda ısı kayıp ve kazançlarının en fazla olduğu kısım pencerelerdir. Bu nedenle, pencere sistemlerinde enerji tasarrufu sağlayan camlar geliştirilmeye başlanmıştır. Enerji tasarrufu sağlayan bu camlar içerisinde değişen ortam koşullarına otomatik olarak tepki verebilen dinamik camlar, bir başka deyişle akıllı camlar, son dönemde oldukça önem kazanmıştır. Akıllı camlar içerisinde değişen sıcaklığa bağlı olarak optik özelliklerini değiştirerek ısı ve ışık kontrolü sağlayan termokromik camlar üzerine yapılan çalışmalar son yıllarda artarak devam etmektedir. Vanadyum dioksit (VO2), 68 °C'de termokromik dönüşüm sıcaklığına sahip olan ve oda sıcaklığına en yakın sıcaklıkta dönüşüm gösteren ve dolayısıyla akıllı pencere sisteminde kullanım potansiyeline sahip bir inorganik malzemedir. Sıcaklığın artması ile yapısında meydana gelen faz dönüşümü (monoklinikten tetragonale) ile malzemenin kızılötesi bölgedeki geçirgenlik değerleri azalmakta ve ısı kontrolü sağlanabilmektedir. Ancak, VO2'nin termokromik dönüşüm sıcaklığı akıllı pencere sistemlerinde kullanılmak için yine de oldukça yüksektir ve bu değerin oda sıcaklığı seviyelerine düşürülmesi için yoğun çalışmalar yürütülmektedir. Bu çalışmalarda, W, Nb ve Mo gibi metal iyonu katkılandırma ile VO2 ince film dönüşüm sıcaklığınının düşürülebildiği belirlenmiştir. Bu tez çalışmasında, binalarda enerji tasarrufu sağlayan niobyum katkılı VO2 esaslı termokromik ince filmlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, VO2 ince filmlerin termokromik dönüşüm sıcaklığının düşürülmesi için molce %1, 2,5, 5 ve 7,5 oranlarında Nb+5 metal iyonu katkılandırılarak hazırlanan VO2 esaslı sol çözeltileri altlıktan sodyum atağını önlemek amacıyla önceden SiO2 ara katman kaplanmış soda kireç cam altlıklara kaplanmıştır. Hazırlanan sol çözeltilerinde vanadyum kaynağı olarak vanadyum triisopropoksit (Vtip) ve vanadyum oksiasetilaseton (VO(acac)2) olmak üzere iki farklı başlangıç malzemesi kullanılmıştır. Kaplamaya hazır hale getirilen sol çözeltileri, altlıklar üzerine daldırmalı kaplama yöntemi kullanılarak kaplanmıştır. Başlangıç malzemelerinden +5 değerlikli Vtip kullanılarak hazırlanan numunelere Ar/H2 (hacimce %5) redüktif gaz atmosferi altında 2,5 saat boyunca 525 °C'de ısıl işlem uygulanmıştır. Vanadyum kaynağı olarak +4 değerlikli VO(acac)2 kullanılarak hazırlanan ince film numunelere inert gaz atmosferi altında kontrollü ısıtma ve soğutma yapılarak 1 saat boyunca 550 °C'de ısıl işlem uygulanmıştır. İnce filmlerin sıcaklık ile değişen optik özelliklerini incelemek için dahili ısıtma üniteli UV-Vis spektrofotometre kullanılmıştır. DSC tekniği ile hazırlanan sol çözeltilerin termokromik dönüşüm sıcaklıkları tespit edilmiştir. XRD tekniği ile ince filmlerin ve sol çözeltilerinin kurutulması ile elde edilen toz numunelerin faz analizleri gerçekleştirilmiştir. İnce film numunelerin mikroyapı analizleri SEM/EDS yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. İnce film numunelerin kalınlık ölçümleri SEM ve elipsometre kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması kapsamında Vtip ve VO(acac)2 başlangıç malzemeleri kullanılarak hazırlanan ince film numunelerin termokromik özellik gösterdiği ancak kullanılan başlangıç malzemesine bağlı olarak termokromik açıdan farklı karakterler sergiledikleri saptanmıştır. Optik açıdan, VO(acac)2 başlangıç malzemesi kullanılarak elde edilen ince filmlerin görünür bölge geçirgenliklerinin, Vtip başlangıç malzemesi kullanılarak elde edilen numunelerden daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Termokromik dönüşüm verimi açısından çalışılan spektral aralıkta Vtip başlangıç malzemesi ile hazırlanan numunelerin VO(acac)2 başlangıç malzemesi ile hazırlanan numunelere oranla daha iyi özellik gösterdiği saptanmıştır. VO2 sentezinde uygulanan ısıl işlem sırasında SiO2 ara katman sodyum difüzyonunu tam olarak önleyememiş ve yapıda vanadyum dioksit fazının yanı sıra sodyum vanadat fazı oluşmuştur. Bununla birlikte XRD analizi ile toz numunelerde ısıl işlem sürecinde VO2 fazı ile birlikte vanadyum oksitin ara fazlarının da (V6O13 ve V2O3) oluştuğu belirlenmiştir. Nb katkı oranına bağlı olarak Vtip numunelerinin termokromik dönüşüm verimleri azalmış, VO(acac)2 numunelerin termokromik dönüşüm verimleri ise artmıştır. Bununla birlikte Vtip başlangıç malzemesi ile elde edilen numunelerin artan Nb katkı oranına bağlı olarak termokromik dönüşüm sıcaklıklarının azaldığı belirlenmiştir. Katkısız olarak elde edilen numunenin dönüşüm sıcaklığı yaklaşık 65 °C iken molce %5 katkılandırılmış numunenin dönüşüm sıcaklığının 41 °C'ye düştüğü belirlenmiştir. Bu tez çalışması sırasında elde edilen ve yaklaşık 41 °C dönüşüm sıcaklığı gösteren, % 40 görünür bölge geçirgenliğine sahip ve 1100 nm'de % 5,3 dönüşüm verimi gösteren %5 Nb katkılı Vtip numunesi çalışmanın optimum özellikler gösteren numunesi olarak belirlenmiştir. Bununla birlikte optimum termokromik özellikleri gösteren katkısız Vtip numunesinin 25 °C ve 100 °C'de 1600 nm'ye kadar geçirgenlik değerleri ölçülmüş ve kızılötesi bölgede artan dalga boyuna bağlı olarak termokromik verimin de arttığı ispatlanmıştır.