Borikasit katkılanmış ve gama ışını dozlanmış PEDOT: PSS tabakasının P3HT:PCBM esaslı fotovoltaik hücrelerde kullanılması
Use of boric acid doped and gamma ray dosed PEDOT: PSS layer in P3HT:PCBM based photovoltaic cell
Yazar: ÖZLEM YAĞCİ
Danışman: PROF. DR. ORHAN İÇELLİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, ilk defa P3HT:PCBM esaslı organik fotovoltaik hücrede boşluk toplayıcı tabaka olarak kullanılan PEDOT:PSS tabakasına son derece düşük maliyetli ve kolay elde edilebilen borikasit (H3BO3) katkılanarak fotovoltaik parametrelere etkisi incelenmiştir. Çalışmada farklı konsantrasyonlarda (0; 0,625; 1,25; 2,50; 3,75 ve 5,00 mg/ml) H3BO3 katkılanarak hazırlanan PEDOT:PSS çözeltileri, ince film olarak ITO altlıkları üzerine spin coater (döndürerek kaplama) ile kaplanmıştır. Daha sonra bu PEDOT:PSS tabakaları üzerine spin coater (döndürerek kaplama)  ile P3HT:PCBM aktif tabakası kaplanmıştır. Son olarak aktif tabakanın üzerine termal buharlaştırma yöntemi ile Alüminyum (Al) metali kaplanarak ITO/PEDOT:PSS:H3BO3/P3HT:PCBM/Al tabakalarından oluşan yapılar üretilmiştir. 
Tez çalışmasının ilk aşamasında, farklı oranlarda H3BO3 katkılanmış PEDOT:PSS tabakası kullanılarak fotovoltaik hücrelerin performansını geliştiren optimum katkı oranının belirlenmesi için çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışma neticesinde bu optimum katkı oranının 1,25 mg/ml olduğunun tayin edilmesinin ardından, 1,25 mg/ml oranında H3BO3 katkılanmış PEDOT:PSS tabakası gama ışınına (40 Gray) maruz bırakılarak, radyasyonun H3BO3 katkılı PEDOT:PSS tabakası bulunduran fotovoltaik hücrelerin performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Üretilen yapıların, karanlık ve aydınlık ortamlarda ölçülen akım-gerilim ( ) karakteristiklerinden güç dönüşüm verimi ( ), dolum faktörü ( ), kısa devre akımı ( ) ve açık devre voltajı ( ) gibi temel fotovoltaik hücre parametreleri hesaplanmıştır. Ayrıca üretilen yapıların optik, morfolojik, yapısal ve termal karakteristikleri, UV-VIS, FTIR, SEM, AFM, TG/DTA, XRD ve mekanik profilometre ölçümleri yapılarak belirlenmiştir. Yapılan çalışmada H3BO3 ve gama ışınının etkisinin belirlenmesi için ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al referans yapısı üretilmiştir.
Yapılan ölçümler neticesinde elde edilen sonuçlara göre H3BO3'ün ITO'nun iş fonksiyonunu arttırdığı ve PEDOT:PSS'nin iletkenliğini ve morfolojisini iyileştirdiği belirlenmiştir. 1,25 mg/ml'lik katkı oranında fotovoltaik hücrelerin en yüksek performans gösterdiği görülmüştür. Bu tez çalışmasının diğer önemli bir sonucu; düşük doz gama ışını uygulanmış PEDOT:PSS tabakası bulunduran fotovoltaik hücrelerin parametrelerinde iyileşme olduğu belirlenmiştir. Özellikle H3BO3 katkılanmış PEDOT:PSS tabakası bulunduran fotovoltaik hücrelerin performansında daha fazla iyileşme meydana gelmiştir. Ayrıca yapılan termal karakteristik analizlerinde H3BO3 katkılanmış PEDOT:PSS filmlerinin sıcaklığa karşı daha kararlı olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this thesis, PEDOT:PSS layer, which is used as hole collector layer in P3HT:PCBM based organic solar cells, is doped with extremely low cost and easy manufactured boric acid for the first time and its effect on the photovoltaic parameters is investigated. In this study, for the preparation of the PEDOT:PSS:H3BO3 buffer layer, various ratios of H3BO3 (0; 0,625; 1,25; 2,50; 3,75 ve 5,00 mg/ml) was added in PEDOT:PSS solution and it was spin coated on ITO substrates. Then, the active layer of P3HT:PCBM was spin cast onto PEDOT:PSS:H3BO3 films. Finally aluminum (Al) contact metal was deposited by thermal evaporation on active layer and device structure was in the form of ITO/PEDOT:PSS:H3BO3/P3HT:PCBM/Al.
In the first step of this thesis worked to determine the optimal contribution rate that improves the maximum performance of the solar cell using with different concentrations of H3BO3 doped PEDOT:PSS layer. We have reported that the optimum addition rate of H3BO3 is 1,25 mg/ml, then we investigated the effect of radiation on the performance of solar cell by irradiating 1,25 mg/ml H3BO3 doped PEDOT:PSS layer under the irradiation of gamma ray (40 Gy). Basic electronic characteristics such as power conversion efficiency ( ), fill factor ( ), short circuit current ( ) and open circuit voltage ( ) of fabricated solar cells were determined by Current-Voltage ( ) measurements in dark and under illumination. In addition, the optical, morphological, structural and thermal characteristics of produced structures were determined by UV-VIS, FTIR, SEM, AFM, TG/DTA, XRD and stylus profilometer measurements. To determine the effect of H3BO3 and gamma rays, reference device structure was produced in the form of ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al.
Results show that an increase in the work function of ITO, improvement in the conductivity and morphology of PEDOT:PSS obtained by introducing H3BO3 as dopant into the PEDOT:PSS layer. It has been observed that at a specific concentration of H3BO3 (1,25 mg/ml) the solar cells showed the best PV performance. Experimental results showed that the parameters of solar cell improved with exposure to the low dose of gamma radiation. Especially more improvements has occurred in performance of the solar cell which contains H3BO3 doped PEDOT:PSS layer. Also, it was determined that the boric acid doped PEDOT:PSS is more stable to temperature.