Karbon nanotüplerin organik güneş pillerine uygulanması
Application of organic solar cells of carbon nanotubes
Yazar: GÜLBEDEN ÇAKMAK
Danışman: PROF. DR. HASAN YÜKSEL GÜNEY
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
40 yılı aşkın süredir, inorganiklere kıyasla daha büyük alanlara uygulanabilen, ucuz ve çevreye duyarlı olan güneş pilleri üzerinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Özellikle 1990'lardan günümüze, çözünen iletken polimerlere dayalı hafif, esnek organik ince film fotovoltaikler çok büyük ilgi çekmişlerdir. 
Çalışmada, farklı yapılarda karbon nanotüpler kullanılarak çift tabaka ve hacim heteroeklem yapıda güneş pilleri üretildi. Çift tabaka güneş pilleri MWNT kullanılarak ITO/PEDOT:PSS/P3HT-MWNT/C60/Al konfigürasyonunda üretildi. Düşük düzeyde, MWNT katkılanmış çift tabaka güneş pilinde verimin referans güneş piline göre arttığı ancak yüksek katkılarda ise oluşan kirlilik tuzakları nedeniyle verimin sınırlandığı görülmüştür. Çift tabaka yapıda MWNT'nin çözünür olmamasından dolayı aktif tabaka içinde düzgün dağıtılamaması tekrarlanabilirliliği zorlaştırmaktadır. Çift tabaka organik güneş pillerinde verimin çok düşük olmasına karşın, %0,5 katkılı çift tabaka yapılı güneş pilinde verim referans piline göre %85 düzeyinde artmıştır. 
Hacim heteroeklem yapılı organik güneş pillerinin güç dönüşüm verimliliği çift tabaka yapılı organik güneş pillerininkine göre daha yüksek olmaktadır. Bu nedenle hacim heteroeklem yapılı organik güneş pilleri üretildi. Katkılama için, fonksiyonlaştırılmış olmaları nedeni ile ortak çözücüde çözünme özelliğinden dolayı oktadeklamin ile fonksiyonlaştırılmış tek duvarlı karbon nanotüp (o-SWNT) kullanıldı. Böylece farklı o-SWNT konsantrasyonuna sahip hacim heteroeklem yapıda güneş pilleri üretildi. Çift tabaka yapılı güneş pillerine göre bu pillerde tekrarlanabilirliliğin çok daha iyi olduğu ve daha yüksek verime sahip olduğu gözlendi. En iyi verim ağırlıkça %0,001 oranında o-SWNT içeren güneş pillerinden elde edildi ve her tekrarda bu konsantrasyonda en yüksek verim elde edildiği deneysel olarak gösterildi. Katkılı hacim heteroeklem yapılı güneş pillerinde akım yoğunluğu referans güneş pillerine göre %23,8, güç dönüşüm verimliliği ise %31,8 oranında artmıştır.

Abstract:
For more than 40 years, intensive experimental studies have been conducted on solar cells, which when compared to inorganic solar cells not only have a larger field of application but also are cheaper and environmentally friendly. Particularly, since 1990s, the light, flexible thin film photovoltaics based on soluble conductive polymers have drawn a lot of interest.
In this study, by using different carbon nanotube concentrations bulk heterojunction (BHJ) and bilayer solar cells were fabricated. MWNT was used in the construction of the bilayer solar cells with a configuration ITO/PEDOT:PSS/P3HT-MWNT/C60/Al. It was observed that, compared to the reference solar cells, the efficiency of the bilayer solar cells doped MWNT with low concentrations has increased. However, the impurity traps that emerged at high concentration have limited the efficiency. Because in the bilayer architecture MWNT is not soluble, the distribution in the active layer of carbon nanotube can not to be uniform; thus it makes the reproducibility of the experiments highly difficult. Although the efficiency is typically very low in bilayer organic solar cells, the efficiency in the bilayer solar cells fabricated with 0.5 wt% concentration of MWNT has increased by 85%.
The PCE of BHJ architecture in the solar cells is higher than the ones in the bilayer solar cells. Consequently, BHJ solar cells which consisted of different o-SWNT concentrations were characterized. It was observed that compared to the bilayer devices, the reproducibility in these solar cells is much better and they have higher efficiency. The solar cells that consisted of 0.001%wt concentration of o-SWNT demonstrated the best performance. It was experimentally proven that, at each iteration, the highest efficiency was obtained from the solar cells including 0.001%wt contribution. When compared to solar cells without o-SWNT, JSC has increased by 23.8% in solar cells that are fabricated with o-SWNT concentrations of 0.001 wt%. In addition to this, the power conversion efficiency has also increased by 31.8%.