Organik tabanlı güneş pili üretimi ve karakterizasyonu
Organik tabanli güneş pili üretimi ve karakterizasyonu
Yazar: SAEEDULLAH SAJJAD
Danışman: PROF. DR. AHMET ALTINDAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Organik elektronik malzemeler, hem optik absorpsiyonun hemde yük iletiminin kısmen 
? ve ?* orbitalleri tarafından kontrol edildiği konjuge katılardır. Organik yarıiletkenleri 
inorganik yarıiletkenlerden ayıran en önemli özellikleri, fotonlar tarafından oluşturulan 
eksitonların bağlanma enerjilerinin büyük olması, yük iletiminin bir band vasıtasıyla 
değilde yerelleşmiş durumlara arasındaki hoplamalarla sağlanması, absorpsiyon 
katsayılarının yüksek olması sayılabilir. Tek boyutlu bir yarıiletken olarak organik 
yarıiletkenlerin elektronik ve optik özellikleri anizotropi gösterebilir. Organik 
yarıiletkenlerin bu özelliği aygıt tasarımında oldukça yararlıdır. Organik yarıiletkenlerin 
bu özellikleri ve üretim işlemlerinin kolaylığı, esnek altlıklar için uygun olması gibi 
nedenlerden dolayı elektronik alanında oldukça ilgi çeken malzeme grubudur.
Alışılmış enerji kaynaklarının sınırlı olması, üretim maliyetlerinin yüksek olması gibi 
nedenlerden dolayı, yenilenebilir enerji kaynakları son yıllarda en büyük ilgiyi gören 
alanlardan birisidir. Bir yenileneblir enerji kaynağı olarak foto-voltaik aygıtlar Dünya 
enerji sorunun çözülmesinde üzerinde en çok çalışılan alanlardandır. Mükemmel yük 
iletim özelliği, yüksek güç dönüşüm verimi ve kararlılığından dolayı bugün, foto-voltaik 
aygıtların üretiminde büyük oranda silisyum (Si) tek kristalleri kullanılmaktadır. Fotovoltaik aygıt üretimi konusunda Si'u gallium arsenide (GaAs) ve germanyum (Ge) diğer 
yarıiletkenlerden öne çıkaran diğer bir önemli nedende Si teknolojisinin oturmuş 
olması ve Si ile çalışmanın iyi biliniyor olmasıdır. Şu anda, Si gibi inorganik tabanlı fotovoltaik aygıtların veriminin organik tabanlı foto-voltaik aygıtlardan yüksek olmasına 
rağmen inorganik tabanlı aygıtların, üretim maliyetlerinin yüksek olması (yüksek xi
saflıkta Si tek kristallerinin üretimi oldukça pahalı sistemler gerektirmektedir), esnek 
altlıklar üzerine üretilmemeleri ve ulaşılabilecek verimin Si'un fiziksel özellikleri ile 
sınırlı olması gibi dezavantajları vardır. Dolayısıyla, ucuz ve verimli foto-voltaik 
aygıtların üretimi araştırmacıları organik malzemelere yönlendirmiş durumdadır. Hem 
iletken hemde yarıiletken özellik gösteren organik malzemelein geliştirilmesi bu 
malzemelerin opto-elektronik alanlarda da kulanımlarının yolunu açmıştır. Organik 
tabanlı foto-voltaik aygıtların geliştirilmesi, inorganik tabanlı aygıtlarla 
karşılaştırıldığında, birçok bakımdan büyük bir önem taşımaktadır. Bunlar; üretim 
esnasında malzeme kayıbı ve enerji tüketiminin düşük olması dolayısıyla maliyetlerinin
düşük olması, üretim işlemlerinin yüksek sıcaklıklar gerektirmemesi, esnek taşıyıcılar 
üzerine üretilebilmeleri olarak sıralanabilir. Ayrıca, organik malzemeler genelde yüksek 
absorpsiyaon katsayısına sahiptirler. Bu, oldukça ince filmlerle yeterli miktarda ışığın 
absorplanabilmesi demektir. Tüm bu özellikleri, organik malzemeleri foto-voltaik aygıt 
üretimi konusunda araştırmaların odağına taşımaktadır. Oragnik tabanlı foto-voltaik 
aygıtların verimi konusunda dikkate değer ilerlemelerin kaydedilmesine rağmen hala 
inorganik tabanlı aygıtlarla karşılaştırılabilir seviyede değildir. Oragnik tabanlı aygıtlarda 
en temel problemlerden birisi, elektrot/organik malzeme ara yüzeyindeki yük 
taşıyıcıların iletimidir. Bu sorunu çözmek için gerek verici/katot gerekse alıcı/anot ara
yüzeyindeki metal/organik eklemlerinde değişik yöntemler uygulanmaktadır. Bu ara 
yüzeylere bir yada daha fazla malzemeden oluşan tampon tabakaların kaplanması en 
sık başvurulan yöntemdir. Bu yöntemle aygıt performansında ciddi ilerlemelerin 
sağlandığı rapor edilmiştir. 
Bu Yüksek Lisans tez çalışmasında, birisi inorganik/organik diğeride tamemen organik 
tabakalardan oluşan iki grup foto-voltaik aygıtların üetimi gerçekleştirlmiştir. Üretilen 
gerek inorganik/organik gerekse organik/organik tabkalarından oluşan foto-voltaik 
aygıtlarda verici olarak fitalosiyanin bileşikleri alıcı tabaka olarakta birisi fullerene (C60) 
diğeride tris(8-hydroxyquinolinato) aluminium (Alq3) olan üzere iki farklı malzeme 
kullanılmıştır. İnorganik/organik tabakalarından oluşan aygıtlarda inorganik malzeme 
olarak özenekli hale getirilmiş p-tip ve n-tip Si tek kristalleri kullanılmıştır. Gözenekli 
Si'lar, p-tip ve n-tip Si tek kristallerinin sabit bir akım yoğunluğunda elektrokimyasal 
aşındırmaları suretiyle elde edilmişlerdir. Gözenek yarıçapı ve derinliğine bağlılığı 
incelemek amacıyla, Si'ların gözenekli hale getirilmelerinde akım yoğunluğu sabit 
tutulmuş aşındırma süreleri değiştirilmiştir. Aşındırma süresi 5, 10, 15 ve 20 dakika 
olarak seçilmiştir. Üretilen foto-voltaik aygıtların elektriksel özellikleri karanlık ve 
aydınlık ortamlarda akım-gerilim (I-V) karakteristikleri ölçülmek suretiyle belirlenmiştir. 
Bu ölçümlerden temel güneş pili parametreleri olan kısa devre akımı, açık devre 
gerilimi ve üç dönüşüm verimi gibi parametreler belirlenmiştir. Bu yapılar arasında 
maksimum güç dönüşüm verimi ITO/Alq3/C60/Al tabakalarından oluşan yapıda 
gözlemlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Organik elektronik, foto voltaik olay, yenilenebilir enerji, eksiton, 
açık devre gerilimi, kısa devre akımı

Abstract:
Organic electronic materials are conjugated solids where both optical absorption and 
charge transport are dominated by partly delocalised ? and ?* orbitals and differ from 
inorganic semiconductors in the following important respects. Photogenerated 
excitations are strongly bound and do not spontaneously dissociate into charge pairs. 
Charge transport proceeds by hopping between localised states, rather than transport 
within a band. Absorption coefficients are high so that high optical densities can be 
achieved. As one-dimensional semiconductors, their electronic and optical properties 
can be highly anisotropic. This is potentially useful for device design. Due to their 
above special properties and ease of fabrication and compatibility with flexible 
substrates, organic materials have long attracted wide spread attention in the field of 
electronics. 
Renewable, clean energy sources are gaining importance due to increase demand, cost 
and failure of conventional energy sources to meet the energy requirements of various 
sectors. Photovoltaic cells are considered as an important source of renewable energy 
to solve the world's energy shortage today. Silicon solar cells currently dominate the 
PV market, as they have demonstrated high power conversion efficiencies (PCE), due 
to the excellent charge transport properties and environmental stability of high purity 
silicon. Advantage of Si over other semiconductor devices is due to well developed 
microelectronics industry which has considerable knowledge of working with Si. This 
makes Si a better candidate for solar cells as compared to other semiconductor xiii
material such as gallium arsenide (GaAs) or germanium (Ge). Currently, inorganic 
photovoltaic devices perform with higher photoelectric conversion efficiency and 
stability, than organic photovoltaic (OPV) devices. However, inorganic photovoltaic 
devices still have deficiencies, such as high manufacturing cost and solid construction, 
which hampers their application as cheap consumables and flexible electronic 
products. The methods used to manufacture high efficiency silicon solar cells are 
costly. Purification techniques used to produce high quality silicon, coupled with high 
temperature, low throughput manufacturing techniques lead to high energy costs, 
which is hindering the progress of PV. The search for low cost photovoltaics has led 
researchers to organic materials as possible candidates. The discovery of organic
materials which have both conducting and semiconductor properties has led to new 
and exciting possibilities in the field of optoelectronic devices. The development of 
organic photovoltaic devices may play a key role in overcoming the deficiencies of 
inorganic photovoltaic devices, because they offer several advantages such as: Lower 
energy and material consumption during the manufacturing process, low cost, low 
temperature process compatible with flexible substrates, and extremely lightweight. 
Additionally, organic semiconductors have very high absorption coefficients, which 
allow very thin films to be used, whilst still absorbing a sufficient portion of the solar 
spectrum. This reduction in material used, coupled with low cost manufacturing 
techniques, implies that organic semiconductors have the potential to make a 
significant impact on the PV market. Hence, OPV devices with these significant 
advantages have attracted a great deal of attention, forcing researchers to invest a 
great deal of effort in pursuing higher photoelectric conversion efficiency. With more 
increase in power conversion efficiency and progress of stability, OSCs could be 
promising to make cost-effective devices as an alternative to the silicon-based solar 
cells. Although significant improvement in power conversion efficiency has been 
obtained, the efficiencies attained so far are still comparatively low and there is scope 
for further improvement in all three factors that impact power conversion efficiency 
namely, short-circuit current, open-circuit voltage and fill factor. A general problem in 
organic electrical devices is the transport of charge carriers at the interfaces 
electrode/organic material. A variety of interfacial treatments have been applied to 
both the cathode/organic and the anode/organic interfaces, different more or less thin 
buffer layers have been placed at these interfaces, resulting in varying degrees of 
devices improvement in terms of charge exchange. 
In this thesis, organic and organic/inorganic photovoltaic devices based on solution 
processed phthalocyanine donor layer, fullerene (C60) and: tris(8-
hydroxyquinolinato)aluminium (Alq3) acceptor have been fabricated. For comparison, 
porous silicon and tin oxide coated glass were used as anode electrode materials and 
their effects on device characteristics were studied. Porous silicon (PS) was obtained
by electrochemical etching of p-type and n-type Si wafers in hyroflouric acid solution at 
a current density of 15 mA/cm2
, the etching time being varied from from 5 min to 20 
min. for both type Si. The electrical properties of the produced photo-voltaic cells 
under dark and illumination conditions were investigated and different parameters 
such as open circuit voltage, short circuit current and maximum power efficiency were 
determined. It was found that the cell parameters depend on the anodization time xiv
and the choice of anod electrode material is critical to cell performance. Maximum 
power conversion efficiency was obtained with the structure of ITO/Alq3/C60/Al.
Key words: Organic elektronic, photovoltaic effect, renewable energy, exciton, open
circuit voltage, short circuit current