Katkılı çinko oksit ince filmlerin püskürtülerek kaplama tekniği ile üretilmesi ve polimer güneş hücrelerinde kullanılması
Fabrication of doped zinc oxide thin films by spray coating technique and its application in polymer solar cells
Yazar: KEZİBAN GEGİN
Danışman: DOÇ. DR. AHMET DEMİR ; DOÇ. DR. ARİF KÖSEMEN
Düzce Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yenilenebilir Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Güneş pilleri = Solar cells ; Metal oksitler = Metal oxides

Özet:
Bu çalışmada düşük sıcaklıkta (≤150 °C) katkısız, katkılı ve eş katkılı olarak ZnO nanoparçacıklar üretilmesi ve atmosfer koşullarında püskürtülerek kaplama yöntemiyle ters tip organik güneş hücre yapısında elektron taşıma malzemesi olarak kullanılmasının fotovoltaik performans üzerine etkilerinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu bağlamda, öncelikle üç farklı element (Al, Sn ve Y) kütlesel olarak sırasıyla %0,5, %1, %3 ve %5 oranlarında katkılanmıştır. Tüm örneklerin yapısal özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımı X-ışını spektroskopisi (EDX), X-ışını kırınımı (XRD) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile incelenmiştir. Optik özellikler ultraviyole görünür (UV-VIS) spektrofotometre kullanılarak karakterize edilmiştir. Fotovoltaik performans değerlendirmesi için açık devre gerilimi (Voc), kısa devre akım yoğunluğu (Jsc), dolum faktörü (FF) ve güç dönüşüm verimliliği (PCE) gibi temel parametreler değerlendirilmiştir.  Özellikle Al katkısı, parçacık boyutunu küçülterek, Jsc değerinde bir artış meydana getirmesiyle hücrelerin fotovoltaik performansının iyileşmesini sağlamıştır. Katkısız ZnO nanoparçacıklı hücreler %1,59 PCE ile referans olarak belirlenmiştir. Tüm durumlar değerlendirildiğinde, tek katkı elementi olarak %5 Al katkılı hücreler %3,72 PCE ile en iyi fotovoltaik performansı göstermiştir. Ayrıca, farklı eş katkı oranları kullanılarak gerçekleştirilen deneylerde, (%0,5 Al - %0,5 Sn), (%0,5 Sn-%1 Y), (%0,5 Al - %1 Y) ve (%0,5 Al - %1 Sn) olacak şekilde dört farklı durum değerlendirilmiştir. Sonuçlar, eş katkılı ZnO nanoparçacıklarının güneş hücrelerinin fotovoltaik performansını artırdığını göstermiştir. En iyi PCE, %2,40 ile (%0,5 Al-%1 Sn) durumunda elde edilmiştir. Bilinen literatürde ilk kez denenen Sn ve Y eş katkısı (%0,5 Al-%1 Y) durumu için, %1,99 PCE ile katkılanmasının güneş hücrelerinin performansını artırabileceğini göstermektedir. Tüm bu sonuçlar, ZnO nanoparçacıklarının ters tip güneş hücrelerinin performansını etkileyen önemli faktörler olduğunu vurgulamaktadır ve uygun katkılama oran ve koşullarını sunmaktadır.

Abstract:
This study aims to investigate the effects of synthesizing undoped, doped, and co-doped ZnO nanoparticles at low temperatures (≤150 °C) and using them as electron transport materials in inverted-type organic solar cell structures via spray coating method under atmospheric conditions. In this context, three different elements (Al, Sn, and Y) were doped at mass ratios of 0.5%, 1%, 3%, and 5%, respectively. The structural characteristics of all samples were examined using scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The optical properties were characterized using an ultraviolet-visible UV-VIS spectrophotometer. The evaluation of photovoltaic performance involved assessing key parameters such as open-circuit voltage (Voc), short-circuit current density (Jsc), fill factor (FF), and power conversion efficiency (PCE). Specifically, the doping of Al resulted in a reduction in particle size and an improvement in Jsc, leading to enhanced photovoltaic performance of the cells. Undoped ZnO nanoparticle-based cells were set as the reference with a PCE of 1.59%. Among all cases considered, single-doped cells with 5% Al exhibited the best photovoltaic performance with a PCE of 3.72%. Furthermore, experiments were conducted using different co-doping ratios, including (%0.5 Al-%0.5 Sn), (%0.5 Sn-%1 Y), (%0.5 Al-%1 Y), and (%0.5 Al-%1 Sn). The results showed that co-doped ZnO nanoparticles enhanced the photovoltaic performance of solar cells. The highest PCE of 2.40% was achieved for the (%0.5 Al-%1 Sn) case. The co-doping of Sn and Y, which was tested for the first time in the known literature for the (%0.5 Al-%1 Y) case, demonstrated the potential to improve the performance of solar cells with a PCE of 1.99%. All these findings emphasize the significant factors of ZnO nanoparticles that affect the performance of inverted-type organic solar cells and provide suitable doping ratios and conditions.