Çözelti esaslı yöntemler kullanılarak Cs2AgBiBr6 esaslı perovskit güneş hücrelerinin atmosfer koşullarında üretimi
Fabrication of Cs2AgBiBr6-based perovskite solar cells using soluti̇on-based methods under atmospheric conditions
Yazar: ARZU ÖCEBE
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL CİHAN KAYA ; PROF. DR. HÜSEYİN DEVECİ
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Elektriksel iletkenlik = Electrical conductivity ; Kimyasal kararlılık = Chemical stability ; Perovskitler = Perovskite

Özet:
Bu çalışmada, toksisite ve kararlılık açısından organik-inorganik Pb esaslı perovskit bileşiklere alternatif malzemelerden biri olarak kabul edilen tamamen inorganik ve Pb içermeyen Cs2AgBiBr6 halojen perovskit bileşiğinin atmosfer koşullarında üretimi optimize edilmiştir. Doğrudan tavlama, vakumda kurutma ve gaz ile kurutma olmak üzere üç farklı yaklaşım kullanılarak döndürmeli kaplama yöntemi ile üretilen bu filmlerde, sadece gaz ile kurutma kullanılarak sürekli film morfolojisi elde edilebilmiştir. Bu yöntemde gaz akış hızının çözücü buharlaşma hızı ve buna bağlı olarak perovskit filmin kristalinite, morfoloji ve optik özelliklerini etkilediği tespit edilmiştir. Gaz akış hızının 18 L/dk'dan 6 L/dk'ya azalması ile ortalama tane boyutu 150 nm'den 185 nm'ye çıkmıştır. Gaz akış hızının azaltılmasına bağlı olarak çözücünün daha yavaş uzaklaştırılması daha az çekirdek oluşmasını ve oluşan kristallerin daha dengeli ve yavaş birleşmesini sağlamıştır. Bu da daha iyi kristallenmiş perovskit tanelerinin oluşmasını kolaylaştırmıştır.
Üretilen bu filmler FTO/k-TiO2/m-TiO2/perovskit/karbon konfigürasyonunda perovskit güneş hücrelerinde soğurucu olarak kullanılmıştır. En iyi performans gösteren hücre ile açık devre gerilimi (Voc): 1,04 V, kısa devre akım yoğunluğu (Jsc): 2,11 mA/cm2, dolum faktörü (FF): %67,4 ve verim değeri %1,47 elde edilmiştir. Bu hücrelerin oda sıcaklığı raf ömrü kararlılık deneyinde 840 saat sonunda ilk verimde herhangi bir azalma olmamıştır. Buna ek olarak, 65 °C sıcaklıkta yapılan kararlılık çalışmasında, 840 saat sonunda ilk verimin % 66'sını koruyabildiği görülmüştür.  Yapılan bu çalışma sonucu, üretilen Cs2AgBiBr6 esaslı hücrelerin verim değerlerinin organik-inorganik esaslı geleneksel perovskit güneş hücrelerine kıyasla düşük olmasına rağmen, atmosfer koşullarında çok daha kararlı olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca gaz kurutma yönteminin atmosfer koşullarında tamamen inorganik perovskit güneş hücrelerinin geliştirilmesine yönelik en ideal yöntemlerden bir tanesi olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study, the fabrication of the all-inorganic lead-free halide perovskite compound Cs2AgBiBr6, considered as one of the alternative materials in terms of toxicity and stability compared to organic-inorganic Pb-based perovskite compounds, was optimized in an ambient atmosphere. Three different approaches, including direct annealing, vacuum drying, and gas quenching, were used during or after the spin-coating process of this compound. Among these approaches, only gas quenching provided continuous film morphology. It has been determined that the gas flow rate affects the solvent evaporation rate and, consequently, the crystallinity, morphology, and optical properties of the perovskite films. The average grain size increased from 150 nm to 185 nm with a decrease in the gas flow rate from 18 L/min to 6 L/min. The slow gas flowing rate has led to a slower removal of the solvent, resulting in fewer nuclei formation and allowing the formed crystals to merge more evenly and slowly. Therefore, better-crystallized perovskite grains were formed.
Perovskite films were utilized as the absorbing layer in the perovskite solar cells with the configuration of FTO/c-TiO2/m-TiO2/perovskite/carbon. The best-performing cell exhibited an open-circuit voltage (VOC) of 1.04 V, short-circuit current density (JSC) of 2.11 mA/cm2 a fill factor (FF) of 67.4%, and an efficiency value of 1.47%. There was no decrease in the initial efficiency after 840 hours in the room temperature shelf-life stability test of these cells. In addition, it has been observed that the cell maintained 66% of its initial efficiency after 840 hours at 65 °C. As a result of this study, it has been determined that, although the efficiency of Cs2AgBiBr6-based perovskite solar cells is lower than that of traditional organic-inorganic-based cells, the stability of Cs2AgBiBr6 is better than traditional perovskites in ambient atmosphere. Furthermore, it has been concluded that the gas quenching method is one of the most ideal approaches for the development of all-inorganic perovskite solar cells under ambient conditions.