Yeni nesil güneş pillerinde organik/hibrit arayüzeylerin elektronik yapısının araştırılması
Investigation of electronic structure at organic/hybrit interfaces in new generation solar cells
Yazar: DUYGU AKIN KARA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖRKEM OYLUMLUOĞLU ; PROF. DR. MAHMUT KUŞ
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Son zamanlarda, güneşten ucuz, verimli ve sürdürülebilir enerji elde etme fikri yenilenebilir enerji konusunda büyük önem taşımaktadır. Organik inorganik hibrit perovskit güneş pilleri, düşük üretim maliyetleri ve yüksek güç dönüşüm verimine (PCE) sahip olmaları nedeniyle bu anlamda en güçlü adaylardan birisidir. Perovskit güneş pilleri mezoskopik (TiO2 ve Al2O3 temelli) ve düzlemsel (p-i-n ya da n-i-p) olmak üzere çeşitli aygıt mimarilerinde üretilebilmektedir. Düzlemsel aygıtlar düşük sıcaklıkta ve esnek yüzeylerde üretilebilmeleri nedeniyle büyük ilgi görmektedir. 
Perovskit güneş pillerinde diğer bütün optoelektronik aygıtlarda olduğu gibi arayüzeyleri anlamak, yüksek verimli ve kararlı aygıtlar üretmek için arayüzeylerdeki kayıpları azaltmak büyük önem taşımaktadır. Perovskit güneş pillerinde, elektrotlar ve organik tabakalar arasındaki arayüzey mühendisliği, morfolojisinin düzelmesinin dışında, açık devre voltajı (Voc), kısa devre akım yoğunluğu (Jsc) ve doluluk faktörü (FF) gibi aygıt parameterlerinde iyileştirme imkanı sağlamaktadır. Güneş pillerinde en çok tercih edilen anot kontak olan ITO'nun, yüksek performanslı aygıtlar üretmek için, iş fonksiyonunun modifiye edilmesi gerektiği bilinmektedir. ITO tabakasının modifikasyonu için kendiliğinden organize olabilen tek tabakalar (Self Assembled Monolayers-SAM) kalıcı ve kolay bir çözüm sunmakta, kalıcı dipol moment yaratarak iş fonksiyonunu, yüzeyin ıslanabilirliğini ve enerjini istenilen şekilde değiştirme ve de daha kararlı aygıtlar üretme imkanı sunmaktadır.
Bu çalışmada, p-i-n düzlemsel yapıdaki perovskit güneş pillerinde, ITO tabakası, fonksiyonel ucunda flor bulunan boronik asit türevi olan üç farklı SAM (1F, 2F, 3F-SAM) kullanılarak modifiye edilmiştir. Bu modifikasyon işleminin perovskit güneş pillerinde ITO/[poly(3,4ethylenedioxylenethiophene):poly(styrenesulfonic acid)] arayüzeyindeki elektronik yapıya, yük taşıyıcıların geçişine, aygıt performansına ve kararlılığına etkileri XPS, UPS, KPFM, AFM, SEM, IPCE gibi ileri elektriksel ve morfolojik karakterizasyon yöntemleri kullanılarak araştırılmıştır. SAM modifikasyonun ITO'nun iş fonksiyonunu arttırdığı, böylece ITO ve PEDOT:PSS'in enerji seviyelerinde daha iyi bir eşleşme sağlanarak hole geçişinin kolaylaştığı, Jsc'yi ve diğer aygıt parametrelerini iyileştirdiği, ITO/PEDOT:PSS arayüzeyindeki tuzakları pasifize ettiği ve rekombinasyonu azalttığı görülmüştür. Ayrıca modifikasyonun, aygıtın kararlılığını arttırarak bir ay sonunda verimin % 70 yerine, % 20 oranında azaldığı kaydedilmiştir. 
Çalışma sonunda, ITO tabakasının SAM ile modifiye edilmesiyle, histeresisi bulunmayan, % 90 oranında tekrarlanabilir ve kararlı p-i-n perovskit güneş pilleri için basit bir üretim metodu sunulmuştur. Modifikasyon sonunda perovskit güneş pillerinde verimin % 12'den % 16'ya yükseldiği ve yaklaşık %35'lik bir artış sağlandığı görülmüştür.

Abstract:
Converting cheap, efficient, and sustainable energy from the sun is one of the big challenges for this era in renewable energy concept. In the last decade, organic−inorganic hybrid solar cells have shown to be a promising candidate because of their low fabrication costs and high power conversion efficiencies (PCE). Perovskite solar cells, there are various device architectures including mesoscopic (utilizing a TiO2 or Al2O3 oxide layer) or planar heterojunction (p−i−n or n−i−p). Planar devices offer the ability of low temperature processing, enabling roll to roll fabrication of flexible cells. 
Understanding the interfaces in perovskite solar cell and all optoelectronic devices is important as well as decreasing the energetic losses at interfaces to produce highly efficient and stable devices. In perovskite solar cell, interfacial engineering between electrodes and organic layers is one of the most important issues in profiling device parameters such as open-circuit voltage (Voc), short-circuit current density (Jsc), and fill factor (FF) besides of absorber layer morphology problems in solar cells. Indium tin oxide (ITO) which is the preferred anode contact in solar cell. Yet, for enhanced solar cell performance, work function modification is often required. Self-assembled monolayer (SAM) treatment can chemically modify ITO creating a permanent dipole moment that adjusts the work function of ITO and changes the surface wettability of the substrate and improve stability.
In this work, ITO has been modified with SAM which is a series of boronic acid based fluorine-terminated derivatives (functional group with 1F, 2F, and 3F) to understand the effect on the stability and efficiency of perovskite solar cells. We investigate the effects of SAM modification on the electronic structure of ITO/[poly(3,4ethylenedioxylenethiophene):poly(styrenesulfonic acid) interface, charge carrier transport, efficieny and stability in perovskite solar cells by using advanced electrical and morphological characterization methods such as XPS, UPS, KPFM, AFM, SEM, IPCE . The SAM treatment demonstrates an increase of the work function of ITO, improves the energy level alignment and effective hole collection, an enhancement of the short-circuit current density and other device parameters, and a passivation of trap states and decrease the recombination at the ITO/PEDOT:PSS interface. Device stability improves upon SAM modification with efficiency decreasing only 20 % instead of 70 % after one month. 
Our work highlights a simple treatment route to achieve hysteresis-free, reproducible, stable planar perovskite solar cells. And after SAM modification perovskite solar cell efficiency increased from 12 % to 16 %.