Saf ve iyonik sıvı katkılı perovskite filmlerin slot-die (yarık-kalıp) kaplama tekniği ile üretimi
Fabrication of bare and ionic liquid doped perovskite films with slot-die coating technique
Yazar: MURAT EBİÇ
Danışman: DOÇ. DR. FARUK ÖZEL ; DOÇ. DR. SEÇKİN AKIN
Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Kaplama = Coating ; Kükürt dioksit = Sulfur dioxide ; Perovskitler = Perovskite ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Bilimsel, teknolojik ve ticari uygulamalarda önemli bir yere sahip olan optoelektronik malzeme endüstrisinin temelini oluşturan ince filmler son yıllarda en yaygın çalışma alanlarından biri olmuştur. Optoelektronik aygıt teknolojisinin ihtiyaç duyduğu ince filmlerin büyük çoğunluğu günümüzde döndürerek kaplama (spin coating) tekniği ile hazırlanmaktadır. Ancak bu kaplama tekniği büyük ölçekli üretimler için pek de uygun değildir. Bu tez çalışmasında, özellikle güneş hücreleri, ışık yayan diyotlar (LED) ve fototransistörler gibi birçok optoelektronik aygıt teknolojisinin ihtiyaç duyduğu SnO2 elektron transfer tabakası (ETL) malzemesi ve inorganik tabanlı CsPbI2Br perovskite filmler yarık-kalıp (slot-die) kaplama tekniği ile büyük ölçekli olarak (25 x 75 mm) ekonomik ve hızlı şekilde üretilmiştir. Dış ortam koşullarında üretilen filmlerin slot-die sistemi üzerinde başlık-alttaş mesafesi, tabla sıcaklığı, çözelti konsantrasyonu, kaplama hızı, ve çözelti beslem oranı gibi çeşitli parametreleri değiştirilerek büyütme optimizasyonları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca inorganik CsPbI2Br perovskite filmlerin faz kararlılıklarını artırmak amacıyla yapı içerisine 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF4) iyonik sıvısı katkılanmıştır. Elde edilen filmlerin fotolüminesans (PL) spektrofotometresi ve morötesi-görünür (UV-Vis) ışık spektrofotometresi kullanılarak optik karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile filmlerin yüzey pürüzlülüğü analizleri, alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) ile yüzey ve kesit alan morfolojisi, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile yüzey kimyası karakterize edilmiştir. Filmlerin yapısal özellikleri ve tuzak durum yoğunluğu ise sırasıyla X-ışını difraktometresi (XRD) ve uzay yükü sınırlı akım (SCLC) analizleri ile incelenmiştir. SnO2 ETL ve CsPbI2Br tabanlı inorganik perovskite soğurucu tabakaların ekonomik büyütmelere imkan sunan slot-die tekniği ile homojen olarak büyütüldüğü bu çalışma ile hücre mimarisini oluşturan diğer tabakaların da slot-die tekniği ile üretilebileceği gösterilmiştir. Ayrıca, bu çalışma perovskite hücre teknolojisinin ticari boyut kazanmasının önündeki engellerden olan büyük ölçekli üretim ve kararsızlık problemlerine de çözüm önerisi olarak öncülük edecek bir potansiyel de sunmaktadır.

Abstract:
Thin films forming the basis of the optoelectronic materials industry, which has an important place in scientific, technological and commercial applications, are one of the most popular research fields in recent years. Most of the thin films required by optoelectronic device technology are prepared by spin-coating technique. However, this coating technique is not suitable for large-scale production. In this thesis, SnO2 electron transport layer (ETL) and inorganic-based CsPbI2Br perovskite films required by various optoelectronic device technologies such as solar cells, light emitting diodes (LED) and phototransistors, were fabricated by an economic and facile slot-die coating technique on a large scale (25 x 75 mm). Growth optimizations were carried out by tuning various parameters such as head-substrate distance, plate temperature, solution concentration, coating speed, and solution dispense rate on the slot-die system under ambient conditions. In addition, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF4) ionic liquid was added to the structure in order to increase the phase stability of inorganic CsPbI2Br perovskite films. Optical characterizations of the obtained films were performed using photoluminescence (PL) spectrophotometer and ultraviolet-visible (UV-Vis) light spectrophotometer. Surface roughness analysis, surface and cross-sectional morphology, and surface chemistry of the films were characterized with atomic force microscopy (AFM), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. The structural properties and trap-state density of the films were investigated by X-ray diffractometry (XRD) and space charge limited current (SCLC) analyses, respectively. In this study, in which SnO2 ETL and CsPbI2Br based inorganic perovskite absorber layer are grown homogeneously, showed that all other layers in the cell architecture could be obtained with the slot-die technique. In addition, this study offers a potential to lead as a solution proposal for large-scale production and instability problems, which are obstacles to the commercialization of perovskite cell technology.