Perovskit güneş hücrelerinde dawson tipi polioksometalatların hücre performansı üzerine etkileri
The effect of dawson type polyoxometalates on the performance of perovskite solar cells
Yazar: SÜMEYRA BÜYÜKÇELEBİ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ERSÖZ ; PROF. DR. MİCHAEL ANTHONY MORRIS
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Polioksometalatlar (POM'lar), 19. yüzyılın başlarından beri bilinmekte olup hızla gelişen bileşikler arasında önemli bir yer tutmaktadır. Güçlü elektron kapasitesi, ayarlanabilir enerji seviyeleri, yüksek ısıya dayanıklılık, mükemmel redoks ve katalitik aktivite gibi özellikleri sayesinde birçok alanda kullanım imkânı sunarlar. POM'lar, metal atomlarının yüksek oksidasyon düzeyine sahip olmalarından dolayı güçlü elektron alıcı malzemelerdir. POM bileşikleri farklı üstün özellikleri bir araya getirdikleri için hem bilimsel hem de teknolojik alanlarda dikkat çeken malzemeler olmuşlardır. 
Bu çalışmada, ilk olarak Dawson tipi aktif POM türevlerinden Li6[α-P2W18O62]−6 (LiPOM) ve [α2-P2W17O61(HOOC(CH2)2Ge)]7- (GePOM) bileşikleri sentezlenmiş ve yapısal karakterizasyonları yapılmıştır. Bu karakterizasyonlarla birlikte POM bileşiklerinin temel enerji seviyeleri (HOMO), uyarılmış enerji seviyeleri (LUMO) ve buna bağlı elektrokimyasal bant boşluğu için indirgenme ve yükseltgenme basamakları belirlenmiştir. Ayrıca, yük taşıma kapasitesinin değerlendirilmesi amacıyla ITO/HTL/Ag sandviç yapısı kullanılarak POM bileşiklerin elektriksel iletkenlikleri ölçülmüştür.
Çalışmanın ikinci aşamasında, POM bileşikleri tersine çevrilmiş düzlemsel yapıya sahip perovskit güneş hücreleri (PCS'ler) üzerinde kullanılabilirliği araştırılmıştır. Bunun için yaygın olarak kullanılan boşluk iletim malzemesi (HTM) PEDOT:PSS (Poli(3,4-etilendioksitiyofen):poli(stirensülfonat)) seçilmiştir. PEDOT:PSS'nin çalışma işlevini ve iletkenliğini geliştirmek amacı ile suda çözünebilen Dawson POM'lar bu çalışmada ilk kez PEDOT:PSS içerisine katkılanmıştır. Farklı katkılama oranlarıyla üretilen aygıtların fotovoltaik performansları değerlendirilerek histerezis etkisi, dış quantum verimi (EQE), aygıt tekrarlanabilirliği ve kararlılıkları araştırılmıştır. Buna ek olarak, üretilen ince filmlerin X-Işını Difraktometresi (XRD), Floresans Spektrometresi (PL), Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Optik Temas Açısı (OCA) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ölçüm teknikleri ile karakterize edilerek optik, morfolojik ve yapısal özellikleri incelenmiştir. 
Çalışmalar sonucunda, boşluk taşıyan tabakaya LiPOM ve GePOM malzemeleri ayrı ayrı   katkılanarak, tersine çevrilmiş düzlemsel PSC'ler üretilmiştir.  LiPOM katkılı aygıtlarda güç dönüştürme verimliliği % 11.41'den % 13.86'ya iyileştirilmiştir. GePOM katkılı aygıtlarda verimler % 11.18'den  % 14.22'lik değerlere ulaşmıştır. Böylece POM katkılı PSC'ler, katkısız HTM'lere kıyasla daha yüksek güç dönüştürme verimliliği sergilemiş ve bu alanda umut veren malzemeler olduklarını göstermişlerdir.

Abstract:
Polyoxometalates (POMs) have been known since the early 19th century and occupy an important place among the rapidly developing compounds. Due to their properties such as strong electron capacity, tunable energy levels, high temperature resistance, excellent redox and catalytic activity, they offer the possibility of use in many fields. POMs are strong electron acceptor materials due to the high oxidation level of metal atoms. Since POM compounds combine different superior properties, they have become remarkable materials in both scientific and technological fields. 
In this study, Li6[α-P2W18O62]-6 (LiPOM) and [α2-P2W17O61(HOOC(CH2)2Ge)]-7 (GePOM) compounds, which are Dawson-type active POM derivatives, were first synthesized and their structural characterizations were performed. These characterisations were used to determine the reduction and oxidation steps for the highest occupied molecular orbital (HOMO), the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) and the associated electrochemical band gap of POM compounds. In addition, the electrical conductivity of POM compounds was measured using ITO/HTL/Ag sandwich structure to evaluate the charge carrying capacity.
The second step of the study examined the applicability of POM compounds on inverted planar perovskite solar cells (PCSs). For this purpose, the widely used gap conduction material (HTM) PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)) was selected. Water-soluble Dawson POMs were doped into PEDOT:PSS for the first time in this study in order to improve the working function and conductivity of PEDOT:PSS. The hysteresis effect, external quantum efficiency (EQE), device repeatability, and stability were explored in addition to the photovoltaic capabilities of the devices made with various doping ratios. The produced thin films were also examined for their optical, morphological, and structural characteristics using the X-Ray Diffractometer (XRD), Fluorescence Spectrometry (PL), Atomic Force Microscopy (AFM), Optical Contact Angle (OCA), and Scanning Electron Microscopy (SEM) measurement techniques.
As a result of the studies, inverted planar PSCs were fabricated by doping LiPOM and GePOM materials separately in the hole transport layer.  The power conversion efficiency was improved from 11.41 % to 13.86 % in LiPOM doped devices. In GePOM doped devices, the efficiencies increased from 11.18 % to 14.22 %. Thus, POM-doped PSCs exhibited higher power conversion efficiency compared to undoped HTMs and showed that they are promising materials in this field.