Fe3O4 nanoparçacık ve mpg-C3N4 nanokompozit katkılı P3HT:PCBM tabanlı organik güneş pillerinin fabrikasyonu, optik, morfolojik, yapısal ve elektriksel karakterizasyonu
Fabrication, optical, morphological, structural and electrical characterization of organic solar cells based P3HT:PCBM doped with Fe3O4 nanoparticle and mpg-C3N4 nanocomposite
Yazar: ZAKİR ÇALDIRAN
Danışman: PROF. DR. ŞAKİR AYDOĞAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Doktora tezi olarak sunulan bu çalışmada P3HT:PCBM fotoaktif tabakası ile organik güneş pili yapıldı ve yapılan güneş pillerinin güç dönüşüm veriminin arttırılmasının yolları araştırıldı. ITO yüzeyine dönel kaplama yöntemi ile hol taşıma tabakası olarak PEDOT:PSS kaplandı ve aynı yöntemle eldivenli kabin içerisinde PEDOT:PSS yüzeyine 1:1, 1:0,8, 1:0,6 oranında karıştırılmış P3HT:PCBM aktif tabakası kaplandı. PEDOT:PSS, P3HT, PCBM ve P3HT:PCBM malzemelerinin soğurma, AFM, SEM, EDAX, XRD, Raman ve XPS ölçümleri alındı. İlk etapta farklı oranlardaki P3HT:PCBM yüzeyine termal buharlaştırma yöntemi ile Al kaplanarak ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al organik güneş pili yapısı elde edildi ve test edildi. Daha sonra aynı prosedür ile metalden önce aktif tabaka yüzeyine 2 nm kalınlığında LiF kaplandı ve LiF tabakasının ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al organik güneş pillerinin karakteristik parametrelerine etkisi incelendi. Elde edilen her iki tasarımdaki toplam altı farklı numune incelendiğinde LiF tabakası olmadan %1,54 olan en yüksek verimin 1:0,8 oranındaki P3HT:PCBM'den elde edildiği ve aynı katkı oranına sahip LiF tabakalı aygıtın güç dönüşüm veriminin %2,74 olduğu görüldü. Bu aşamadan sonra organik güneş pillerinin kısa difüzyon uzunluğu, sınırlı taşıyıcı transferi, düşük taşıyıcı mobilitesi, düşük optik soğurma şiddeti ve düşük güç dönüşüm verimi problemlerine çözüm sağlamak için ayrı tasarımlarda P3HT:PCBM'e farklı oranlarda hem Fe3O4 nanoparçacıkları hem de mpg-C3N4 nanokompozit malzemeleri katkılandı. Referans ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al organik güneş pili ile aynı şartlarda elde edilen üçlü P3HT:PCBM:Fe3O4 ve P3HT:PCBM:mpg-C3N4 aktif tabakalı güneş pillerinin güç dönüşüm veriminin katkı oranına bağlı olarak değiştiği gözlendi. Aktif tabakaya farklı oranlarda Fe3O4 katkılamanın sonucunda %6 oranında katkılamada en yüksek verim (%4,49) elde edildi ve daha sonra katkı oranı arttıkça verimin düştüğü görüldü. Benzer şekilde P3HT:PCBM'e farklı oranlarda mpg-C3N4 katkılandı. %4 oranında mpg-C3N4 katkılanması ile %3,70 değerindeki en yüksek verim elde edildi ve daha sonra artan katkı oranı ile verim düşmeye başladı. %7 katkı oranından sonra referans aygıtın değerinden daha düşük olan verim değeri gözlendi. En yüksek verim değerlerinin elde edildiği katkı oranları dikkate alınarak P3HT:PCBM:Fe3O4 ve P3HT:PCBM:mpg-C3N4 filmlerinin soğurma, AFM, SEM, EDAX, XRD, Raman ve XPS ölçümleri alındı. Fotoaktif tabakaya Fe3O4 ve mpg-C3N4 katkılamanın soğurma şiddetini arttırarak organik güneş pillerinin veriminin artmasında etkili olduğu sonucu elde edildi.

Abstract:
In this Ph.D. thesis, an organic solar cell was produced with P3HT:PCBM photoactive layer and to increase the power conversion efficiency of the organic solar cells, different methods were studied. PEDOT:PSS as the hole transport layer was coated with the spin coating process on ITO and the P3HT:PCBM active layer in the rates, 1:1, 1:0,8 and 1:0,6 were coated on PEDOT:PSS layer using the same method in the glove box. The absorption and AFM, SEM, EDAX, XRD, Raman and XPS measurements of PEDOT:PSS, P3HT, PCBM and P3HT:PCBM layers were carried out. First, using thermal evaporation, Al was coated over the layer of P3HT:PCBM which have different ratios and ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al organic solar cell structure was obtained and tested. Then, LiF which has 2 nm thicknes was coated on the active layer using the same method and the effect of LiF layer on the characteristic parameters of ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al organic solar cells was investigated. When the six different samples were examined in both designs, it was seen that without LiF layer, the highest efficiency which is 1,54% was obtained from P3HT:PCBM that has 1:0,8 rate and the power conversation efficiency of LiF layer device that has same contribution rate was 2,74%. After this step, in various designs both the inorganic Fe3O4 nanoparticles and polymer mpg-C3N4 nanocomposite materials in different ratios were doped to P3HT:PCBM photoactive layer to provide a solution to the problems such as short diffusion length, restricted carrier transfer, low carrier mobility, low optic absorbtion intensity and low power conversion efficiency of organic solar cells. It was observed that the power conversion efficiency of ternary P3HT:PCBM:Fe3O4 and P3HT:PCBM:mpg-C3N4 active layer solar cells obtained in the same condition of as the reference the ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al organic solar cell, changed depending on the content ratio. As the result of doped Fe3O4 in different ratios to the active layer, the highest efficiency (4,49%) was obtained in the ratio of 6% and then it was observed that the efficiency was decreased with increase of Fe3O4. In the same way, mpg-C3N4 materials at different rates were doped to P3HT:PCBM. The highest efficiency of 3,70% was obtained with 4% doped mpg-C3N4 and then the efficiency was started to decrease with the increased content ratio. After 7% content ratio, the efficiency value which is lower than the value of reference device was observed. Absorption, AFM, SEM, EDAX, XRD, Raman and XPS measurements of P3HT:PCBM:Fe3O4 and P3HT:PCBM:mpg-C3N4 films were provided considering the contribution rates at which the highest efficiency values were obtained. As a result, it was found that the doped Fe3O4 and mpg-C3N4 are effective at increasing the efficieincy of organic solar cells which cause increase of the absorption intensity.