SiO2 endüstriyel alanda en çok kullanılan cam yapıcı oksittir. Bu nedenle teknolojik ve bilimsel alanlarda geniş bir kullanım alanına sahip olan SiO2 tabanlı camlar bu çalışmanın temelini oluşturmaktadır. Yapısına Na2CO3, Al2O3,Co3O4, Fe2O3 ve CuO bulunan on farklı cam yapısının yapısal, elektriksel ve optik özellikleri farklılıklar göstermektedir. Hazırlanan her cam numunenin belirtilen bu özellikleri detaylı bir şekilde incelenmiştir.
SEM-EDX ölçümleri numunelerin yapıları hakkında bilgi edinilmesine yardımcı olmuştur. Cam numunelerin incelenmesinden Co3O4 miktarının artmasıyla homojenlikten uzaklaşıldığı, CuO katkılanan camlarda yapının bozulduğu görülmüştür.
SEM görüntülerinde beyaz benekler çözünmemiş maddelerdir, bunlar kirlilik olarak karşımıza çıkmaktadır. Kobalt oranının artması ve diğer metal oksitlerin katkılanması kirliliği arttırmıştır.
EDX değerlerine bakıldığında, taban camda yapıya girmeyen maddenin olmadığı ve oksijen miktarının katkılanan maddelerin yüzdelerine göre dağıtıldığında homojen bir yapının olduğunu söylenebilmektedir. CuO katkılı camlarda Cu ve Co’ın beklenen değerler altında olması ölçüm alınan bölgedeki azlığından kaynaklandığı düşünülmektedir. Çünkü EDX değerleri yalnızca numunenin tek bir bölgesinden alınmıştır. SEM mikrograflarında camın dökümü sırasında oluşan dalgalanmalar ve kesme-parlatma esnasında oluşmuş mikro çizikler gözlenmiştir. Bu dalgalanma ve mikro çizikler camın yapısına bağlı olmayıp, oluşumdan kaynaklanmaktadır.
Elektriksel ölçümler iki-prob metodu kullanılarak karanlıkta ve 100 Wattlık ampulle aydınlatılarak alınmıştır. Buradan alınan ölçümlerle çizilen akım-voltaj grafiklerden çıkan ilk sonuç, karanlıkta alınan her ölçümün doğrusal bir artış sergilediği, aydınlıkta alınan ölçümlerin ise doğrusala yakın geometrik artışa benzer bir artış gösterdiği yönündedir.
Çizilen I-V grafiklerinden karanlıkta ve aydınlıkta en fazla akım geçiren camın T0 camı olduğu, en az akım geçiren camınsa T9 camı olduğu görülmüştür.
T1, T2, T3, T4 camlarında kobalt miktarına bağlı olarak en yüksek akım T1 camından en düşük akım T4 camından geçtiği görülmüştür.
T5 ve T6 camlarında T6 camının üzerinden geçen akımın T5 camına göre daha fazla olduğu görülmüştür.
Son olarak % 20 kobalt katkısının üzerine sırasıyla % 5, % 10 ve % 15 oranlarında Fe2O3 ve CuO katkılı T7, T8 ve T9 camlarına baktığımızda en yüksek akımın T7 camından geçtiği, en düşük akımın ise T9 camından geçtiği görülmüştür.
Silisyum tabanlı camlarda kobalt konsantrasyonunun %5 civarında olması iletkenliği arttırırken daha yüksek konsantrasyon değerlerinde iletkenliği azaltmaktadır.
T6, T8 ve T9 camlarında karanlıkta ve aydınlıkta alınan değerlerin birbirine yakın olduğu görülmüştür.
Cam numunelere ait akım-voltaj (I-V) karakteristiklerinden, sadece numunelerden geçen akım şiddetleri hakkında yorum yapılabilir fakat numunelerin kalınlık farklarından ötürü, bu aynı zamanda kontaklar arası uzaklığa karşılık gelir, dolayısıyla sadece grafikteki değerlere bakarak iletkenlikleri hakkında yorum yapmak yanıltıcı olabilir. Bu yüzden cam numunelerin elektriksel karakterlerini sağlıklı yorumlayabilmek amacıyla I-V grafikleri, kontak alanları ve kontaklar arası uzaklık yardımıyla her numuneye ait iletkenlik ve özdirenç değerleri hesaplanmıştır. Aydınlıkta alınan akım- voltaj değerlerine dayanarak hesaplanan iletkenlik değerleri ortak bir diyagramda incelendiğinde iletkenliği en yüksek numune 2,2001.10-7 (Ωcm)-1’ lik değeriyle T0 camı olarak belirlenmiştir. Diğer yandan en düşük iletkenliğe sahip cam numune ise 3,14692.10-8 (Ωcm)-1’ lik değeriyle T9 camı olarak görülmüştür. Buna bağlı
olarak on numune içinde en yüksek özdirenç 3,1777.107 (Ωcm) değeriyle T9 camı en düşük özdirenç 4,5451.106 (Ωcm) değeriyle T0 camına ait olduğu görülmüştür.
Karanlıkta alınan akım-voltaj değerlerine dayanarak hesaplanan iletkenlik değerleri ortak bir diyagramda incelendiğinde iletkenliği en yüksek numune 2,14399.10-7 (Ωcm)-1’ lik değeriyle T1 camı olarak belirlenmiştir. Diğer yandan en düşük iletkenliğe sahip cam numune ise 2,6918.10-8(Ωcm)-1’ lik değeriyle T9 camı olduğu belirlenmiştir. Buna bağlı olarak on numune içinde en yüksek özdirenç 3,7148.107 (Ωcm) değeriyle T9 camı en düşük özdirenç 4,6642.106 (Ωcm) değeriyle T1 camına ait olduğu görülmüştür.
Đletkenlik grafiklerinde göze çarpan en önemli sonuç T0 camının ısı-ışık etkisiyle iletkenliğinin önemli ölçüde artmasıdır.
SEM görüntülerini incelediğimizde kobalt ve diğer metal oksitlerin kirliliği arttırdığını gözlemlemiştik, bu durum elektron akımını engelleyerek iletkenliği azaltmış, özdirenci arttırmıştır. EDX değerlerine geri döndüğümüzde T3 ve T4 camlarındaki kobalt değerlerinin birbirlerine yakın değerlerde çıktığı görülmüştü.
Göze çarpan bir değer sonuç ise T5 ve T6 camları arasındadır, Fe2O3 ilavesinin, iletkenliği CuO ilavesinden daha çok arttırdığı görülmüştür.
%20 Co3O4 üzerine aynı oranlarda arttırılarak katkılanan Fe2O3 ve CuO, T7 ve T8 camlarında iletkenliği değiştirmezken T9 camında önemli ölçüde düşürmüştür.
Optik özelliklerin incelenmesi camların karakterinin belirlenmesinde önemli bir yere sahiptir. Temel olarak camlar optik materyaller olarak bilinmektedir. Numunelere ait optik özellikler, geçirgenlik-absorpsiyon, yansıma, renk başlıkları altında toplanmıştır.
Her cam için çizilen Absorbans- Geçirgenlik yüzdesi- Yansıma katsayısı grafiklerinde kobalt konsantrasyonunun artmasıyla absorpsiyonun arttığı, geçirgenliğin önemli ölçüde azaldığı görülmüştür.
Yapmış olduğumuz çalışmada aradığımız özellik camların apsorpsiyonunun maksimum, geçirgenliğin minimum olmasını sağlamaktır. % 20 Co3O4 katkıladığımız T4 cam numunesinde bu özelliği sağladığımızı söyleyebilmekteyiz.
Siyah cam yapımında CoO, Fe2O3 ve CuO’in birlikte katkılanması gerektiği görülmektedir. Fe2O3 ve CuO’in % 20 Co3O4 katkılı cam numunenin üzerine değişik oranlarda katkılanması absorpsiyonu çok fazla etkilememiştir fakat geçirgenlik yüzdesi 1/10,000’ e kadar düştüğü görülmüştür.
Enerjinin büyük öneminin olduğu dünyamızda, enerji kaynaklarının azalması, insanoğlunu yeni arayışlara götürmüştür. Bu arayışların başında ise sonsuz ve temiz enerji kaynağı olan güneş enerjisinden daha çok faydalanmak ve verim almak bulunmaktadır. Güneş enerji sistemleri, ısıtma sistemlerinde bolca kullanılmakta, madde içersindeki parçacıklarla ışığın etkileşmesinden elektronik devreler dizayn edilmektedir.
Isıtma sistemi olarak güneş kolektörlerinden elektronik devrelerde yer alan yarı iletken malzemelere ve hatta güneş pillerine kadar her yerde camın önemi büyüktür. Literatürde yer almayan on cam numune bu çalışmanın temelini oluşturmaktadır. Katkı malzemelerinin cam numunelerin geçirgenliklerini düşürmesi ve absorpsiyonu maksimum seviyeye getirmesi oluşturulan cam numunelerin ışığı daha fazla yutmasını sağlamıştır. Bununla birlikte ışıkla etkileşimde bu cam numunelerin iletkenlik ve özdirençlerindeki değişimlerin elektronik dünyası için de faydalı veriler içerdiği söylenebilir. Özellikle siyah numunelerin ışığı daha fazla absorpladığı bilindiğinden oluşturulan siyah cam numunelerin güneş kolektörlerinde kullanılabileceğini göstermektedir. Çalışmanın asıl amacı da budur. Ve bu çalışmada özellikle bilimsel ve ticari önem taşıyan silisyum camların kobalt konsantrasyonuyla absorpsiyon ve elektriksel iletkenliğinin değişimi, demir oksit ve bakır oksit ilavesinin etkileri ve bu ilavelerin elektriksel özelliklerde yarattığı değişimler detaylı bir şekilde incelenmiştir.