Perovskit temelli güneş hücrelerinde kullanılacak ftalosiyanin türevlerinin sentezi ve fotovoltaik uygulamaları
Synthesis and photovoltaic applications of phthalocyanine derivatives in       perovskite based solar cells
Yazar: GİZEM GÜMÜŞGÖZ ÇELİK
Danışman: PROF. DR. AYŞE GÜL GÜREK
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynakları arasında foto-voltaik (PV) teknolojiler oldukça önemli bir yere sahiptir. Global pazarda mevcut PV üretimlerinin büyük bir bölümünü seri üretime geçmiş olan silikon tabanlı hücreler oluşturmaktadır. Artan enerji talebi ve ışığı daha verimli bir şekilde enerjiye dönüştürecek materyal ihtiyacı, bilim dünyasını yeni sistemler tasarlamaya yönlendirmektedir. Perovskit güneş hücreleri (PSC), son 15 yılda yaşanan verimlilik artışı sayesinde PV teknolojileri içerisinde oldukça önemli bir yer edinmiştir. 2009 yılında %3.8 ile başlayan güç dönüşüm verimlerinin (PCE), günümüzde perovskit geleneksel (n-i-p tipi) hücrelerde %26.1 ve perovskit/tandem hücrelerde %33.9'a ulaşması ticarileşmesinin önündeki engelleri kaldırsa da neme karşı duyarlılıklarının yüksek olması hala aşılması gereken zorluklardan birisidir. 
PSC eklem yapısı basitçe, saydam ve iletken bir alttaş üzerine sırasıyla; elektron iletim tabakası (ETL), perovskit tabakası, boşluk iletim tabakası (HTL) ve metal elektrot kaplanarak meydana gelmektedir. Yüksek verimli hücrelerde HTL olarak genellikle spiro-OMeTAD kullanılmaktadır. Bu organik bileşiğin gerek maliyetli ve zor sentez prosedürü , gerekse yüksek verimlere çıkabilmek için hidroskopik özellik gösteren katkı materyalleriyle beraber kullanılması, kararlılığı olumsuz etkilemektedir. 
Bu tez kapsamında spiro-OMEeTAD'a rakip olabilecek, trifenilamin (TPA) gruplarıyla; simetrik ve asimetrik, direkt bağlı ve donör atom üzerinden bağlı, periferal ve non-periferal pozisyondan bağlanmış Zn(II) ve Cu(II) içeren toplamda 8 adet metalli ftalosiyanin (MPc) bileşiği sentezlenmiş ve yapıları; FT-IR, 1H NMR, 13C NMR, MALDI-TOFF Ms teknikleri kullanılarak aydınlatılmıştır. Tüm bileşiklerin foto fiziksel ve kimyasal özellikleri incelenerek bant aralıkları belirlenmiştir. MPc'ler HTL materyali olarak kullanılarak, n-i-p mimaride FTO/c-TiO2/m-TiO2/Cs0.05(MA0.15 FA0.85)0.95Pb(I0.85Br0.15)3/HTL eklem yapısında kaplamaları hazırlanmıştır. Sonrasında onların SEM analizi, temas açısı, UV-vis-NIR ve PL ölçümleri alınmıştır.
Bu aşamadan sonra seçilen MPc bileşiklerinin iki farklı hücre mimarisinde performans ölçümleri alınmıştır. Birinci tip hücre; p-O-ZnPc ve p-O-CuPc bileşikleri kullanılarak katkısız olarak, FTO/SnO2/MAI-PbI2/HTL/Ag eklem yapısında üretilmiştir. İkinci tip hücrede; asym-O-ZnPc ve asym-ZnPc bileşikleri Li-TFSI ve tBP katkı malzemeleri ilaveli olarak, FTO/c-TiO2/m-TiO2/Cs0.05(MA0.15FA0.85)0.95Pb(I0.85Br0.15)3/HTL/Ag eklem yapısında üretilmiştir. Üretimi tamamlanan aygıtların performanslarının belirlenmesi amacıyla, J-V, EIS, tekrarlanabilirlik karakteristiği ve %40-45 bağıl nem ortamında raf-ömrü kararlılık profili belirleme çalışmaları yapılmıştır. 
Tez kapsamında yapılan tüm çalışmalar sonucunda, TPA gruplarıyla fonksiyonlandırılmış MPc'lerin, döndürerek kaplamaya uygun gerek katkı malzemeli gerekse katkı malzemesiz olarak hazırlanan n- i-p mimaride, spiro-OMeTAD ile yarışabilecek kapasitelerde güç dönüşüm verimleri üretebildikleri ve neme karşı hücre dayanımını arttırdıkları belirlenmiştir. Bu doğrultuda MPc'lerin HTL olarak spiro-OMeTAD'a alternatif materyaller oldukları anlaşılmıştır.

Abstract:
Photovoltaic (PV) technologies are essential for the fields of renewable energy sources. The majority of PV productions in the global market are comprised of silicon-based cells that have transitioned into widespread production. The need for materials that can efficiently convert increasing energy demand and light into energy forces the scientific community towards designing new systems. Perovskite solar cells (PSC) gained significant importance in PV technologies over 15 years because of the increase in power conversion efficiency(PCE). The PCE that started at 3.8% in 2009 have now reached 26.1% in perovskite traditional (n-i-p type) cells and 33.9% in perovskite/tandem cells, removing challenges to commercialization. However, their high sensitivity to moisture remains one of the challenges that still need to be overcome.
The PSC architecture is simply formed of a transparent and conductive substrate, such as FTO, onto which the following layers are sequentially deposited: an electron transport layer (ETL), a perovskite layer, a hole transport layer (HTL), and a metal electrode. In high-efficiency cells, spiro-OMeTAD is commonly used as the HTL. The highly expensive and challenging synthesis procedure, and also the requirement to use hygroscopic additives to achieve high yields, negatively affect the stability of this organic compound. 
In this thesis, 8 different metallophthalocyanine (MPc) compounds containing triphenylamine (TPA) groups that could compare with spiro-OMeTAD were synthesized. These compounds consist of symmetric or asymmetric, directly or donor atom substituted, peripheral or non-peripheral positioned, Zn(II) or Cu(II). Their structures were characterized using FT-IR, 1H NMR, 13C NMR, and MALDI-TOF Ms techniques. The band gaps of all MPcs have been determined by examining their photo-physical and chemical properties. The FTO/c-TiO2/m-TiO2/Cs0.05(MA0.15 FA0.85)0.95Pb(I0.85Br0.15)3/HTL junction structure in n-i-p architecture was prepared by using MPcs as HTL materials. After that their SEM analysis, contact angle, UV-vis-NIR, and PL measurements were performed.
The performance measurements were taken for the selected MPcs compounds in two different cell architectures. The first kind of cell was produced using p-O-ZnPc and p-O-CuPc compounds as dopant-free in the FTO/SnO2/MAI-PbI2/HTL/Ag junction structure. The second cell was produced with using asym-O-ZnPc and asym-ZnPc compounds, as well as Li-TFSI and tBP dopants in the FTO/c-TiO2/m-TiO2/Cs0.05 (MA0.15FA0.85)0.95Pb(I0.85Br0.15)3/HTL/Ag junction structure. To determine the performance of cells, studies were conducted on the J-V, EIS and repeatability characteristics, and shelf-life stability profile in an environment with a relative humidity of 40-45%.
According to the thesis results, it has been determined that MPcs functionalized with TPA groups can produce power conversion efficiencies comparable to spiro-OMeTAD in both doped and undoped n-i-p architectures suitable for spin coating, and they also enhance cell durability against moisture. It has been understood that MPcs are alternative materials to spiro-OMeTAD in terms of HTL.