Perovskit güneş hücresi için p-tipi konjuge polimer sentezi ve uygulaması
Synthesis and its application of p-type conjuge polymer for perovskite solar cell
Yazar: NEFİSE DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA CAN
İzmir Katip Çelebi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Perovskite güneş hücreleri (PVSC'ler) sayısız avantajlara sahiptir. PVSC'lerin yeni nesil enerji kaynağı olarak büyük ilgi görmelerinin nedenleri arasında kolay işlenebilme özelliği, belirgin güç dönüştürme verimliliği (PCE) ve nispeten düşük üretim maliyeti sayılabilmektedir. PVSC üretimi sonucunda son zamanlarda elde edilen verim %25.0'ın üzerine çıkmıştır. Perovskit güneş hücrelerinde en yaygın kullanılan boşluk iletim malzemesi (HTM; Hole Transport Material) olarak       2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-metoksifenilamino)-9,9′-spirobiﬂuoren (spiro-OMeTAD) kullanılmaktadır. Tercih edilmesine rağmen spiro temelli küçük molekül (small molecule) HTM'lerin karmaşık sentez yöntemi, zayıf film kalitesi ve aktive olabilmesi için birkaç katkı maddesine ihtiyaç duyması perovskite güneş hücreleri için HTM olarak uygunluğunu kısıtlamaktadır. Bu soruna çözüm olarak yüksek moleküler ağırlıklı ve boşluk hareket kabiliyetlerinin yüksek olması nedeniyle, konjuge polimer HTM'ler, PVSC'lere daha yüksek kararlılık ve tekrarlanabilirlik kazandırabilmesi özelliği sayesinde spiro bazlı HTM'lere karşın alternatif hale gelebilmektedir.
Bu tez kapsamında PVSC'lerde boşluk iletim (HTM) katmanında kullanılmak üzere iki adet donör-akseptör tipi konjuge kopolimer yapıda polimerler sentezlenmiştir. Sentezlenen polimer zincirinde iki farklı donör grup kullanılmıştır. Donör monomerler, 2,6-bis(trimetiltin)-4,8-bis((2-etilhekzil)tieno[3,2-b]tiofen)-benzo[1,2-b:4,5 b′]dithiofen ve 2,6-bis(trimetiltin)-4,8-dietilhegziloksibenzo-[1,2-b;3,4-b]ditiyofen,  akseptör monomer olarak 4,7-bis(5-bromo-4-hekzil-2-tiyenil)-2,1,3-benzoselenidiazol yapıları kullanılmıştır. Monomer yapılara ait yapısal karakterizasyonları 1H ve 13C NMR ile aydınlatılmıştır. Polimer yapılara ait yapısal karakterizasyon 1H-NMR ve FTIR, optik ve elektrokimyasal özellikleri UV-VIS-NIR spektrofotometresi, floresans spektroskopisi ve döngüsel voltametri tekniği kullanılarak aydınlatılmıştır. 
Polimer-1 ve polimer-2 yapılarına ilişkin zincir uzunluğu ve molekül ağırlığı tayini GPC, termal karakterizasyonları DSC ve TGA yöntemleri kullanılarak aydınlatılmıştır. Polimer yapılar 4,8-dietilhegziloksibenzo-[1,2-b;3,4-b]ditiyofen-bis(4-hekzil-2-tiyenil)-2,1,3-benzoselenidiazol (Polimer-1), 4,8-bis((2-etilhekzil)tieno[3,2-b]tiofen)-benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiofen-bis(4-hekzil-2-tiyenil)-2,1,3-benzoselenidiazol (Polimer-4) olarak isimlendirilmişlerdir.
Polimer yapılar, yüksek verimli ve kararlı PVSC'ler hedeflenerek, hücre yapısında boşluk iletim materyali olarak kullanılmıştır. Hücreler standart ölçüm şartlarında akım-gerilim (I-V) eğrileri ve akım-dönüşüm verimleri (IPCE) kullanılarak hücreye ait fotovoltaik parametreler belirlenmiştir. Polimer-4 polimerinin HTM olarak kullanıldığı FTO/c-TiO2/PVST/Polimer-4/MoO3/Ag yapısındaki perovskit güneş hücresi mimarisinde en iyi verim değeri pre-col [10,54%] ve col-2 [7,01%] olduğu görülmüştür. FTO/c-TiO2/PVST/Polimer-1(4000 rpm-hot solution)/MoO3/Ag yapısında sentezlenen perovskite güneş hücresi mimarisinde verim değeri en yüksek [9.05%] olarak bulunmuştur.

Abstract:
Perovskite solar cells (PVSCs) have numerous advantages. Easy processing, significant power conversion efficiency (PCE) and relatively low production cost can be counted among the reasons why PVSCs are of great interest as new generation energy sources. As a result of perovskite solar cell production, the maximum efficiency achieved recently has exceeded 25.0%. 2,2′,7,7′-Tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl amino)-9,9′-spirobifluorene (spiro-OMeTAD) is used as the most widely used gap transport layer (HTL) in perovskite solar cells. Contrary to its preference, spiro-based small molecule HTMs' complex synthesis method, poor film quality, and the need for few additives to activate limit their suitability for perovskite applications. As a solution to this problem, conjugated polymer HTMs have become an alternative to spiro-based HTMs due to their high molecular weight and cavity mobility, due to their ability to impart higher stability and reproducibility to PVSCs.
Within the scope of this thesis, two donor-acceptor type conjugated copolymer structures, polymer-1 and polymer-4, were synthesized to be used in the hole conduction (HTM) layer in PVSCs. Two different donor groups were used in the synthesized polymer chain. Donor monomers, 2,6-bis(trimethyltin)-4,8-bis((2-ethylhexyl)thieno[3,2-b]thiophene)-benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene and 2,6-bis(trimethyltin)-4,8-diethylhexyloxybenzo-[1,2-b;3,4-b]dithiophene, 4,7-bis(5-bromo-4-hexyl-2-) as acceptor monomer thienyl)-2,1,3-benzoselenidiazol structures were used. Structural characterizations of monomer structures were elucidated by 1H and 13C NMR. Structural characterization of polymer structures were elucidated by using 1H-NMR and FTIR, Optical and electrochemical properties of UV-VIS-NIR spectrophotometer, fluorescence spectroscopy and cyclic voltammetry techniquee. 
The chain length and molecular weight determination of polymer-1 and polymer-2 structures were elucidated using GPC, thermal characterizations using DSC and TGA. The names of synthesized are polymer structure; 4,8-diethylhexyloxybenzo-[1,2-b;3,4-b]dithiophene-bis(4-hexyl-2-thienyl)-2,1,3-benzoselenidiazole (Polymer-1), 4,8-bis ((2-ethylhexyl)thieno[3,2-b]thiophene)-benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-bis(4-hexyl-2-thienyl)-2,1,3 - benzoselenidiazole (Polymer-4).
Polymer structures were used as hole conduction material in the cell structure by targeting the highly efficient and stable Perovskite solar cell. Photovoltaic parameters of the cell were determined by using current-voltage (I-V) curves and current-conversion efficiencies (IPCE) under standard measurement conditions of cells. In the perovskite solar cell architecture in FTO/c-TiO2/PVST/Polymer-4/MoO3/Ag structure, where polymer-4 polymer is used as HTM, the best efficiency values are pre-col [10,54%] and col-2 [7.01%] was found to be. The efficiency value was found to be the highest [9.05%] in perovskite solar cell architecture synthesized in           FTO/c-TiO2/PVST/Polymer-1(4000 rpm-hot solution)/MoO3/Ag structure.