Mezo-gözenekli SnO2 elektron transfer malzemesinin üretimi ve perovskite güneş hücresi uygulamaları
Production of meso-porous SnO2 electron transfer material and applications of perovskite solar cells
Yazar: VEYSEL ÖZKAYA
Danışman: DOÇ. DR. SEÇKİN AKIN
Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, mezo-gözenekli kalay oksit (mp-SnO2) filmler carboxymethylcellulose sodium (Na-CMC) katkısı kullanılarak kimyasal yöntemlerle başarılı bir şekilde elde edilmiş ve bu yapılar perovskite güneş hücrelerinin (PSC) üretiminde elektron transfer malzemesi (ETM) olarak kullanılmıştır. Yapı içerisine Na-CMC katkısının girmesiyle elektron transfer tabakalarının (ETL) reflektans özelliği azalmış ve perovskite filme ulaşan foton sayısının arttığı belirlenmiştir. Üretilen hücreler içinde en yüksek performans sunan mp-SnO2 ETL tabanlı hücre için açık devre voltajı (Voc) değeri 1.12 V, kısa devre akım yoğunluğu (Jsc) değeri 24.57 mA/cm2 ve dolum faktörü (FF) değeri %80.6 olarak elde edilmiş ve %22.2 verim değerine ulaşılmıştır. Diğer taraftan, kompakt SnO2 (c-SnO2) ETL tabanlı en iyi performansa sahip kontrol hücresi için bu değerler Voc = 1.11 V, Jsc = 23.59 mA/cm2 ve FF = %76.7 olarak elde edilmiş ve %20.1 verim değerine ulaşılmıştır. Fotovoltaik parametreler incelendiğinde, mp-SnO2 ETL tabanlı hücrenin özellikle Jsc ve FF parametrelerinin kontrol hücresinden daha yüksek olduğu dikkat çekmektedir. Bu durumun fotolüminesans (PL) sonuçlarında da görülen yüksek yük transfer yeteneği ve düşük aktif yüzey alandan kaynaklandığı söylenebilir. Diğer taraftan, Voc parametresinde meydana gelen kısmi düşüş gözenekli ETL yapısının neden olduğu ve ölçümler ile de desteklenen tuzak durum yoğunluğundaki kısmi artış ile açıklanabilir. Elde edilen hücrelerin kararlılık testleri sürekli ışınım altında ve ~%50 ±5 bağıl nemli ortamda gerçekleştirilmiş ve mp-SnO2 ETL tabanlı hücrelerin başlangıç veriminin yaklaşık %78'ini 2000 saate kadar koruyarak iyi bir foto-kararlılık gösterdiği tespit edilmiştir (c-SnO2 ETL tabanlı hücre için %57). Sonuç olarak, Na-CMC katkısının ETL filmlerin optoelektronik ve morfolojik özelliklerini iyileştirdiği ve bu iyileşmenin üretilen güneş hücrelerinin fotovoltaik performansına olumlu bir katkı sağladığı tespit edilmiştir. Na-CMC'nin yapı içerisine dahil edilmesiyle oluşturulan mp-SnO2 yapısı, yüksek verimli ve uzun dönem kararlı PSC üretimi için alternatif malzeme arayışlarına çözüm olabilecek bir potansiyele sahiptir.

Abstract:
In this study, mesoporous tin oxide (mp-SnO2) films were successfully obtained by chemical methods using carboxymethylcellulose sodium (Na-CMC) additive and these structures are used as electron transporting material (ETM) in the fabrication of perovskite solar cells (PSCs). With the incorporation of Na-CMC additive into the structure, the reflectance property of the electron transporting layer (ETL) decreased and the number of photons reaching the perovskite film increased. Among the fabricated cells, the best-performing mp-SnO2 ETL based cell achieved a conversion efficiency of 22.2% with an open circuit voltage (Voc) of 1.12 V, short circuit current density (Jsc) of 24.57 mA/cm2, and fill factor (FF) of 80.6%. On the other hand, these values were measured for the compact SnO2 (c-SnO2) ETL-based control cell as Voc = 1.11 V, Jsc = 23.59 mA/cm2, and FF = 76.7% with an efficiency of 20.1%. It is noteworthy that the mp-SnO2 ETL-based cell has higher Jsc and FF parameters compared to the control cell. This improvement can be ascribed to the lower specific area and high charge extraction ability as confirmed by the photoluminescence (PL) results. On the other hand, the decrease in the Voc parameter can be explained by the partial increase in the trap state density associated with the porous ETL structure. Stability tests of the corresponding cells were carried out under continuous irradiation and ~50 ±5% relative humidity, and it was obtained that mp-SnO2 ETL-based cells showed good photo-stability, maintaining about 78% of the initial efficiency up to 2000 hours (57% for the c-SnO2 ETL-based cell). As a result, it was determined that the Na-CMC additive improved the optoelectronic and morphological properties of ETL films and this improvement led to a positive contribution to the photovoltaic performance of the fabricated solar cells. The mp-SnO2 structure formed by incorporating Na-CMC into the structure has the potential to be a solution to the search for alternative materials for the production of highly efficient and long-term stable PSCs.