Gümüş, altın ve gümüş-altın alaşımlı nanoparçacıkların organik güneş pillerinin performansına etkileri
The effects of silver, gold and alloyed silver-gold nanoparticles on the performance of organic solar cells
Yazar: HATİCE KAÇUŞ
Danışman: PROF. DR. ŞAKİR AYDOĞAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasıda, P3HT:PCBM aktif tabakasına altın, gümüş ve bunların alaşımı olan altın -gümüş nanoparçacıkları katkılanarak organik güneş pillerinin güç dönüşüm verimini nasıl etkilediği araştırıldı. Öncelikle, ITO yüzeyi kimyasal temizlik prosesinden geçirildikten sonra döndürme ile film kaplama yöntemiyle hol taşıyıcı tabakası olarak kullanılan PEDOT:PSS ile kaplandı. Daha sonra farklı çözücüler (kloroform, klorobenzen) kullanılarak P3HT:PCBM aktif tabakası hazırlandı. Kloroform organik çözücüsü kullanılarak hazırlanan 1:0,8 oranındaki P3HT:PCBM ve klorobenzen kullanılarak hazırlanan 1:1 oranındaki P3HT:PCBM katmanı eldivenli kabin içerisinde PEDOT:PSS kaplı olan ITO'lar üzerine kaplandı. Kloroform ve klorobenzen çözücüsüyle hazırlanan aktif tabakaların ve nanoparçacık katkılı aktif tabakaların optik soğurma, AFM, SEM ve XRD ölçümleri alındı. Hem iki çözücü kullanılarak hazırlanan aktif tabakaların hem de nanoparçacık katkılı ince filmlerin yasak enerji band aralıkları hesaplandı. Farklı çözücüler kullanılarak hazırlanan P3HT:PCBM yüzeyine termal buharlaştırma ünitesi yardımıyla 1 nm kalınlığında elektron taşıyıcı tabaka olarak kullanılan LiF kaplandı. Ardından da bu film üzerine 100 nm kalınlığında Al metali kaplanarak ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al referans organik güneş pili yapısı elde edildi ve farklı çözücülerin organik güneş pillerinin karakteristik parametrelerine etkisi incelendi. Elde edilen referans aygıt tasarımlarında kloroform çözücüsüyle elde edilen verim %1,56 iken klorobenzen çözücüsüyle hazırlanan yapıda verim %2,11 olarak hesaplandı. Organik güneş pillerinde optik yol uzunluğunu arttırarak yeni elektron-hol çiftlerinin oluşumunu sağlamak için aktif tabakaya farklı oranlarda altın, gümüş, altın-gümüş alaşımından oluşan nanoparçacıkları katkılandı ve böylece P3HT:PCBM:Au NP, P3HT:PCBM:Ag NP, P3HT:PCBM:(Au:Ag) NP aktif tabakaları elde edildi. Nanoparçacık katkılı organik güneş pillerinde güç dönüşüm veriminin katkı oranına bağlı olarak değiştiği gözlendi. Kloroform çözücüsüyle hazırlanan aktif tabakaya %1oranında altın nanoparçacığıyla katkılanmasıyla elde edilen en yüksek güç dönüşüm verimi %3,35 iken aynı çözücüsüyle hazırlanan aktif tabakaya %0,5oranında gümüş nanoparçacığıyla katkılanmasıyla elde edilen en yüksek güç dönüşüm verimi %3,50 olarak elde edildi. Aynı şekilde klorobenzen çözücüsüyle hazırlanan aktif tabakaya %1,5 altın nanoparçacık katkılanmasıyla elde edilen en yüksek güç dönüşüm verimi %3,11 iken aynı çözücüyle hazırlanan aktif tabakaya %0,5 gümüş nanoparçacığıyla katkılanmasıyla elde edilen en yüksek güç dönüşüm verimi %3,20 olarak elde edildi. Benzer şekilde iki çözücüyle hazırlanan,altın-gümüşalaşımlarından oluşan nanoparçaçıkların aktif tabakalarına %1,2 Au: %0,3 Ag oranlarında katkılanmasıyla elde edilen en yüksek güç dönüşüm verimi sırasıyla %2,77 ve %3,29 olarak hesaplandı. Sonuç olarak her iki çözücü için yüksek katkı oranlarında güç dönüşüm veriminin daha düşük katkı oranına göre azaldığı gözlendi.

Abstract:
In this Ph.D. thesis, It was investigated how do silver, gold, alloyed silver-gold which are doped in P3HT:PCBM active layer affect the power conversion efficiency of organic solar cells . Firstly, PEDOT: PSS as a hole transport layer was coated on ITO surface by using the rotating film coating method after the surface was subjected to the chemical cleaning process. Then, P3HT:PCBM active layer was prepared using different solvents (chloroform, chlorobenzene). The P3HT:PCBM active layers were prepared in 1:0,8 ratio, using chloroform and in 1:1 ratio, using chlorobenzene organic solvent were coated on the PEDOT:PSS coated ITO layer, in the glove box. Optical absorption, AFM, SEM and XRD measurements of active layers prepared using chloroform and chlorobenzene solvent and of active layers doped nanoparticles were obtained. Both optical band gap of the active layers prepared by using both solvents and of the thin films doped nanoparticles were calculated. The surface of P3HT:PCBM film prepared by different solvents was coated with LiF with 1 nm thickness, as an electron transport layer by using thermal evaporation. Then, this film surface was coated with Al metal which has 100 nm thickness and it was obtained ITO/PEDOT: PSS/ P3HT:PCBM/LiF/Al reference organic solar cell structure and was investigated effect of different solvents on the characteristic parameters of organic solar cells The power conversion efficiency of reference device prepared with chloroform solvent was calculated 1.56%, while it was calculated as 2.11% for prepared with chlorobenzene solvent. Gold, silver, alloyed gold-silver nanoparticles were doped in the active layer at different proportions by increasing the optical path length in organic solar cells in order to form new electron-hol pairs and thus P3HT:PCBM:Au NPs, P3HT:PCBM:Ag NPs, P3HT:PCBM:(Au:Ag) NPs active layers were obtained. It was observed that the power conversion efficiency in organic solar cells changed with doped nanoparticles depending on the doping ratios. The highest power conversion efficiency was obtained as 3,35 % for the active layer doped with 1 % gold nanoparticles, prepared using chloroform solvent. And the highest power conversion efficiency was obtained as 3,50 % for doped with 0,5 % silver nanoparticles prepared by the same solvent. In the same way, the highest power conversion efficiency was obtained as 3,11 % for doped with 1,5 % gold nanoparticles, the active layer prepared by chlorobenzene solvent. However, the highest power conversion efficiency was obtained as 3,20 % for doped with 0,5 % silver nanoparticles, prepared by the same solvent. As a result, for both solvents it was observed that the power conversion efficiency decreased at the high doping ratios with respect to the lower doping ratios.