Farklı nano yapılar kullanılarak üretilen organik güneş hücrelerinin fotofiziksel karakterizasyonu ve fotovoltaik performans analizleri
Photophysical characterization and photovoltaic performance analysis of organic solar cells produced by using different nanostructures
Yazar: DENİZ KIYMAZ
Danışman: DOÇ. DR. CEYLAN ZAFER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Organik moleküllerin elektronik özellikleri ilk 20. yüzyılın başlarında çalışılmış olmasına rağmen (Brütting, 2006) ,  organik güneş hücrelerinde yaygın olarak kullanılmaları 1980'li yılların ortalarını bulmuştur (Tang, 1986). Organik malzemeler çözelti bazında çalışılabilmesi, onların mürekkep püskürtmeli yazıcı, dönü kaplama gibi düşük maliyetli üretimler için avantaj sağlar (Ã et al., 2013). Ayrıca katı fazında moleküller arası Van der Waals etkileşimi sayesinde anorganik malzemelere kıyasla daha esnektirler (Shi et al., 2008)  ve molekül/polimerlerin modifikasyonu ile arzu edilen bölgede foton-soğurma  elde edilebilmektedir (Chehata et al., 2014). 
Organik güneş hücre çalışmalarında, poli (3-hekziltiyofen-2,5-diyl) (P3HT), diğer polimerlere kıyasla kararlı ve yüksek yük hareketliliğine sahip olmasından dolayı  tercih edilen bir donor malzeme olmuştur. Ancak P3HT'nin kısa eksiton difüzyon uzunluğuna sahip olması sebebiyle organik fotovoltaiklerde cihaz performasını kısıtlmaktadır. Bu dezavantajın önüne geçebilmek için hacimsel yapı yerine, komşu polimerlerin elektronik π orbitallerinin çakışması ile oluşan 1-D organik nanoteller tercih edilmektedir. Bu tez çalışmasında da gösterileceği üzere, nanoteller sayesinde hem eksiton ayrışması verimli olmakta hem de yükler düzenli polimerler üzerinden, daha az tuzak hallere yakalanarak  elektrotlara ulaşabilmektedir.
Farklı çevresel şartlarda ve değişik metodlarda, çok çeşitli boyutlara sahip düzenli P3HT nanoyapılar elde etmek mümkündür. Ancak güneş hücre verimi göz önünde bulundurulduğunda, donor/akseptör arayüz alanının fazla olması, yük transportunun kesintisiz olarak elektrotlara ulaşabilmesi ve eksitonun rekombinasyona uğramadan donor/akseptör arayüzeyine ulaşabilmesi arzu edilir. Bu ihtiyaçlardan dolayı, düzenli P3HT nanoyapıların kalınlığının nanometre mertebesinde, uzunluklarının mikrometre mertebesinde olması ve P3HT nanoyapıların akseptör malzeme ile iyi karışabilmesi gerekir. Bu sebeple düzenli yapıların morfolojik optimizasyonu, cihaz üretiminde önemli bir rol oynar. Bu amaç doğrultusunda, bu tez çalışmasında ilk önce kontrollü P3HT nanotel oluşumu atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanılarak incelenmiş, daha sonra da elde edilen nanotellerin organik güneş hücresi'nde (OGH) aktif tabaka malzemesi olarak cihaz performansı incelenmiştir.
Tez çalışmasının 3.1.1 bölümünde, nanotellerin oluşumu ve gelişimi yavaş soğutma tekniği kullanılarak incelenmiştir. Yavaş soğutma tekniğinin tercih edilmesindeki amaç, nanotel oluşumu ve gelişiminin yavaş olmasıdır. Böylece ana çözeltiden farklı zamanlarda alınan örneklerdeki nanotel oluşumu AFM ile rahat incelenebilmiştir.
Nanotellerin elde edildiği diğer bir yöntem ise zayıf çözücü tekniğidir. Bu teknikte nanoteller oda sıcaklığında (<30ᵒC),  mikro saniye mertebesindeki bir zaman aralığı içerisinde oluşabilir. Bu sebeple bu yöntem ile nanotellerin sadece gelişimi incelenebilmektedir. Bölüm 3.1.2'de iyi çözücü:zayıf çözücü oranları değiştirilerek nanoteller oluşturulmuşve farklı sürelerdeki gelişimleri AFM ile incelenmiştir. Böylece cihaz üretiminde kullanılacak ideal morfoloji için gerekli koşullar tespit edilmiştir.
Bölüm 3.5.1'de ise üretilen nanotellerin yük hareketliliği ve cihaz performansı incelenmiştir. Boşluk hareketliliği için "Uzay Yüküyle  Sınırlı Akım" (SCLC) yöntemi kullanılarak hesaplanmış, donor:akseptör film morfolojisinin cihaz verimine etkisi incelenmiştir.
Cihaz performansının yüksek olması için gerekli şartlardan biri de, daha önce belirttiğimiz gibi, donor/akseptör arayüzey alanının mümkün olduğunca fazla olmasıdır. Bu sebeple nanotel ile akseptörün homojen karışması istenir. Bu bağlamda, bölüm 3.5.3'de morfolojiyi iyileştirme amacıyla 1,8- diiodooktan (DIO) katkı maddesi kullanılarak cihaz optimizasyonu yapılmıştır. Böylece morfolojik kusurlardan kaynaklanan tuzak halleri, katkı maddesi ile azaltılmaya çalışılmış ve  katkı maddesinden kaynaklanan tuzak hallerinin de minimum konsantrasyonda olması  hedeflenmiştir. Tuzak hallerinin cinsi ve cihaz performansına etkisi empedans spektroskopisi yardımı ile tespit edilmiştir.

Abstract:
Although electronic properties of organic molecules have been studied in 20th century (Brütting, 2006), they have been widely used  in organic solar cells in the middle of the 1980s (Tang, 1986). The advantages of the organic materials is that they can be used in low cost production such as inkjet printing and spin coating due to ability of operating in solution-based (Ã et al., 2013). Furthermore, they are more flexible in solid state phase compared to inorganic films due to week Van der Waals interaction between molecules (Shi et al., 2008) And also photo absorption in  desired spectrum range is possible by modification of molecules/polymers.
In organic solar cell studies, regioregular Poly (3-hexylthiophene-2, 5-diyl) (P3HT) is the preferred donor material because of its stability and high mobility. However its short exciton diffusion length that limits the photovoltaic performance is the important disadvantage. Thus 1-D organic nanowires, which are formed by π-π stacking of adjacent polymers, are used instead of hacimsel structure to avoid exciton recombination. In this way, sufficient exciton dissociation can be achieved by using organic nanowires. Also free charges can reach to the electrodes through ordered polymers that contains less trap states.
It is possible to produce P3HT nanostructures with different dimensions by different methods and ambient conditions. However, when the consideration of solar cell efficiency requirements, efficient donor/acceptor interface area is desired. Moreover, excitons should reach the donor/acceptor interface before recombination and free charges should transport through the interconnected domains of the hacimsel. Due to these requirements, ordered P3HT nanostructures should be a few micrometers lenght and a few nanometers thick. Furthermore, P3HT nanostructures should form a homogeneous blend with acceptor material. Thus, morphological optimization of ordered structures plays a crucial role for device fabrication. For this purpose, in this thesis, controlled P3HT nanowire formation is investigated by atomic force microscopy (AFM), and then device performances of nanowires are studied.
In the chapter 3.1.1 of the thesis, nanowire formation and evolution are investigated by slow cooling technique. The reason of the preference of slow cooling technique is that nanowire formation and evolution are slow. Thus, the nanowire formation in stock solution may be imaged by AFM in different incubation time. 
Another method for nanowire formation is to add poor solvent on P3HT solution. Nanowire formation occurs in micro second range at room temperature. Thus, just nanowire evolution can be observed by using this technique. In chapter 3.1.2, nanowires are formed by changing the ratio of poor solvent:good solvent, and their evolutions in different incubation time are investigated by AFM. By this way, the ideal conditions are determined morphologically for organic solar cell fabrication.
In chapter 3.5.1, free charge mobility and solar cell performance of nanowires are investigated. Hole mobility is calculated by using space charge limited current (SCLC) method, and and effect of donor:acceptor morphology on organic solar cell efficiency is clarified.
One of the requirements for the high performance of the device, as mentioned before, is that the donor / acceptor interface area should be large enough. Thus, donor and acceptor should blend homogeneously. In this regard, in chapter 3.5.3, device optimization is investigated by using 1,8-diiodooctane (DIO) additive for the film morphology. Thus, the density of trap states of morphological defects is decreased by DIO additive while density of trap states, caused by DIO additive, are also aimed to be minimum concentration. The variety of   trap states and effects of the traps on device efficiency are defined by impedance spectroscopy.