Yüksek optik performanslı polimer tabanlı güneş hücre yapılarının geliştirilmesi
Development of high optical performance polymer-based solar cell structures
Yazar: ERMAN ÇOKDUYGULULAR
Danışman: PROF. DR. SERKAN EMİK ; PROF. DR. BARIŞ KINACI
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı / Mühendislik Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Fotonik kristaller = Photonic crystals ; Güneş hücreleri = Solar cells ; Optoelektronik = Optoelectronic

Özet:
Tez çalışması kapsamında, yüksek optik performansa sahip PTB7-tabanlı organik güneş hücrelerinin tasarlanıp ve optimal olarak belirlenenlerin üretilerek optik ve fotovoltaik özelliklerinin incelenmesi hedeflenmiştir. Tez çalışması kapsamında, teorik olarak hesaplanan 10 bin tane hücre tasarım üzerinden AVT, renk geriverim indeksi (CRI), korelasyonlu renk sıcaklığı (CCT) ve renk algısı gibi optik özellikleri inceleyerek MoO3/Ag/WO3 asimetrik DMD entegre edilen aktif bölgesi PTB7:PC71BM karışımı olan ve farklı avantajlarıyla optimal özelliklere sahip olan yarı-geçirgen organik güneş hücreleri belirlenmiştir. Bu optimizasyon Transfer Matris Metodu (TMM) hesapları yapılarak gerçekleştirilmiştir. 
Tez kapsamında yapılan hesaplamalar sonucunda, belirlenen hedefler doğrultusunda optik özelliklerin ön plana çıktığı maksimum AVT'ye sahip yapı (AVTmax) ve maksimum CRIext'ye sahip yapının yanı sıra ((CRIext)max), yapıya yeni bir malzeme entegre etmeden ulaşılabilecek en uç renkteki (Ekstrem Renk) yapı üretilmiştir. Ayrıca, renkli güneş hücresine ulaşmak amacıyla en yüksek AVT'ye sahip yapıya 1D-PC entegre edilmesi için yapılan TMM hesaplamaları sonucunda seçilen iki farklı renk bölgesine ulaşılmayı sağlayan güneş hücrelerinin üretimi yapılmıştır. Aynı zamanda, üretilen yapıların çift yüzlülük özelliklerine bakılarak farklı bir hedef doğrultusunda incelemede bulunulmuştur.
AVTmax yapısı için AVT değeri teorik olarak %48,75 değerindeyken, üretilen yapının deneysel AVT değeri %47,14'tür. AVTmax yapısının %3,67 PCE değerine sahip olduğu belirlenmiştir. (CRIext)max yapısı için CRIext teorik olarak 99 ve deneysel olarak 97 değerlerini almıştır. (CRIext)max için teorik ve deneysel AVT değerleri sırasıyla %22,29 ve %23,82 olarak bulunurken, PCE %6,21 değerini almıştır. Tez kapsamında TMM hesaplamalarıyla belirlenen CIE x, y koordinatlarından faydalanılarak %25 AVT sınırının üzerinde rengi en uç noktaya doğru değiştirebilen Ekstrem Renk yapısı belirlenmiştir. Teorik olarak %25,15 AVT değerine sahip olan yapının deneysel AVT değeri %26,34 ve %5,81 PCE değerine sahiptir. Işık yönetim mühendisliği kapsamında yapılan hesaplamalarla yapı üzerine 1D-PC entegre edilerek AVT değeri %25 üzerinde olan ve pencere uygulamalarında farklı renk özellikleriyle kullanılabilecek yapılar tasarlanmıştır. TMM kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucunda iki uç renk bölgesi belirlenmiştir. Sarı renk hedefine ulaşmak amacıyla λ_B'nin 425 nm olduğu (MgF2/WO3)N 1D-PC sisteminin 5 periyotlu yapısı seçilmiştir. Diğer bir uç nokta olarak ulaşılabilen mavi renk için ise λ_B'nin 650 nm olduğu (MgF2/WO3)N 1D-PC sisteminin 3 periyotlu yapısı seçilmiştir.
Tez kapsamında yarı-geçirgen olarak tasarlanan güneş hücreleri çift yüzlü olarak kullanılma potansiyeline sahiptir, bu sebeple tez kapsamında üretilen yapıların çift yüzlülük özellikleri incelenmiştir. İnceleme sonucunda, AVTmax yapısı için çift-yüzlülük parametresi 0,94 olarak bulunurken, (CRIext)max ve Ekstrem Renk yapıları için sırasıyla 0,25 ve 0,34 olarak belirlenmiştir. AVTmax yapısı için elde edilen çift yüzlülük parametresinin bu tarz bir yapının çift yüzlülük potansiyelini göstermesi açısından önemlidir. Tez çalışması sonucunda, ışık yönetim mühendisliği esaslı yapılan detaylı hesaplamalarla hedeflenen yüksek optik performans sergileyen hücre yapıları tasarlanmış ve üretilmiş, fotovoltaik performans için hedeflenen artışlar sağlanmıştır.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to design and fabricate PTB7-based organic solar cells with high optical performance and to investigate their optical and photovoltaic properties. In the scope of the thesis study, optical properties such as average visible transmittance (AVT), color rendering index (CRI), correlated color temperature (CCT) and color perception were examined over 10,000 theoretically calculated cell designs to determine the optimal semi-transparent organic solar cells with MoO3/Ag/WO3 asymmetric DMD integrated active region PTB7:PC71BM blend with different advantages. This optimization was carried out by performing Transfer Matrix Method (TMM) calculations.
As a result of the calculations performed within the scope of the thesis, the structure with maximum AVT (AVTmax) and the structure with maximum CRIext ((CRIext)max), where optical properties become prominent in line with the set targets, and the structure with the most extreme color (Extreme Color) that can be achieved without integrating a new photonic-based system into the structure have been produced. In addition, two different color regions selected as a result of the TMM calculations for integrating 1D-PC into the structure with the highest AVT to reach the colored solar cell were fabricated. Furthermore, the bifaciality properties of the fabricated structures were examined in line with a different target.
While the theoretically calculated AVT value for the AVTmax is 48.75%, the experimental AVT value for the fabricated one was found to be 47.14%. For the (CRIext)max, CRIext was theoretically 99 and experimentally 97. The theoretical and experimental AVT values for (CRIext)max were found to be 22.29% and 23.82%, respectively, while PCE was 6.21%. In this thesis, using the CIE x, y coordinates determined by TMM calculations, an "Extreme Color" structure that can change the color to the extreme point above the 25% AVT limit was determined. The experimental AVT value of the structure, which has a theoretical AVT value of 25.15%, has an experimental AVT value of 26.34% and a PCE value of 5.81%. With the calculations in the scope of light management engineering, 1D-PC was integrated on the structure and structures with an AVT value above 25% and can be used with different color properties in window applications were designed. As a result of the calculations made using TMM, two extreme color regions were determined. In order to achieve the yellow color target, a 5-period structure of the (MgF2/WO3)N 1D-PC system with λ_B at 425 nm was selected. For the blue color, which can be reached as another endpoint, a 3-period structure of the (MgF2/WO3)N 1D-PC system with λ_B at 650 nm was selected.
The solar cells designed as semi-transparent have the potential to be used as bifacial, so the bifacial properties of the structures produced in this thesis were examined. As a consequence of the investigation, the bifaciality parameter for the AVTmax structure was found to be 0.94, while it was determined as 0.25 and 0.34 for the (CRIext)max and "Extreme Color" structures, respectively. The bifaciality parameter obtained for the AVTmax is essential in terms of showing the bifaciality potential of such a structure. As a result of the thesis study, with detailed calculations based on light management engineering, cell structures exhibiting the targeted high optical performance were designed and fabricated, and the targeted increases in photovoltaic performance were achieved.