Elektron iletim tabakasının perovskit güneş pillerinin performansına etkisi
The effect of the electron transport layer on the performance of perovskite solar cells
Yazar: AYŞE NUR ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. AHMET ALTINDAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Her geçen gün Dünya'nın en büyük sorunu haline gelen enerji ihtiyacı ve buna bağlı olarak çevre dostu enerji üretimi konusundaki arayışlar dikkatleri yenilebilir enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında da güneş enerjisi başta sürdürülebilir olması, çevre dostu olması ve maliyet etkin olması gibi nedenlerden dolayı en dikkat çekenidir. Bu anlamda silisyum tabanlı güneş hücreleri hem en yüksek verimle çalışan hem de ticarileşmiş olmalarına rağmen hala üretim süreçleri yüksek maliyetli yatırımlar gerektirmektedir. Silisyum'un bu dez avantajları çalışmaların organik tabanlı güneş hücrelerine yönelmesine neden olmuştur. Organik tabanlı güneş hücreleri arasında perovskit tabanlı güneş hücrelerinin özellikle son yıllarda en umut vadeden güneş hücreleri olduğu görülmektedir. Ancak, perovskit tabanlı güneş hücrelerinin ticarileştirilebilmesi için çözülmeyi bekleyen birçok problemi bulunmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında perovskit tabanlı güneş hücrelerinin elektron iletim tabakasının hücre performansına etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, perovskit tabanlı güneş hücrelerinde elektron iletim tabakası olarak yaygın şekilde kullanılan TiO2'ye alternatif olabilecek malzemelerin (SnO2 ve ZnO) üretilmesi, karakterizasyonu ve hücre performansına etkisinin belirlenmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır. Tez kapsamında yapılan bir diğer çalışmada MAPbI3 organik bileşiğinin oluşturulmasında kullanılan öncü bileşiklerin (MAI ve PbI2) geleneksel kullanılan stokiyometrik oranının değiştirilerek hücre performansına etkisi incelenmiştir. EİT olarak kullanılan metaloksitler magnetron sıçratma yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır ve bu malzemelerin yapısal karakterizasyonu x-ışını kırınımı metoduyla, yüzey morfolojileri taramalı elektron mikroskopuyla, elementel analizi enerji dağılımlı x-ışını analizleriyle, optik karakterizasyonu ise ultraviyole-görünür bölge spektrum analizleri ile yapılmıştır. Perovskit soğurucu tabaka olarak MAI:PbI2 oranı 1:0.4'ten 1:1.8'e kadar MAI oranı sabit tutularak PbI2 oranının 0.2M arttırılarak değiştirilmesiyle sekiz farklı oranda perovskit çözeltisi hazırlanmıştır ve bu hazırlanan çözeltiler döndürerek kaplama yöntemi ile EİT üzerine büyütülmüştür. Boşluk iletim tabakası olarak Cu fitalosiyanin yine döndürerek kaplama yöntemi ile kaplanmıştır ve n-i-p mimaride 24 hücre üretilmiştir. Üretilen hücrelerin Voc, Isc, FF, PCE gibi J-V ölçümleriyle elde edilen veriler ileri ve geri tarama yapılarak (-1V'tan +1V'a/+1V'tan -1V'a) sonuçlar değerlendirilmiştir. EİT olarak SnO2'nin kullanıldığı ve perovskit oranının 1:1.2 olduğu hücrede ileri tarama verilerinde  %4.21 ile en yüksek güç dönüşüm verimi değerine ulaşılırken geri tarama verilerinde %3.87 güç dönüşüm verimi elde edilmiştir ve en büyük histerisis etkisi SnO2'nin elektron iletim tabakası olarak kullanıldığı hücrelerde görülmüştür. TiO2 ve ZnO'nun elektron taşıyıcı tabaka olarak kullanıldığı hücrelerde ise histerisis etkisi çok küçük olsa da görülmüştür.

Abstract:
Because of the need for energy, which has become the biggest problem of the whole world day by day, the search for environmentally friendly energy production has focused attention on renewable energy sources. Among the renewable energy sources, solar energy is the most striking one because it is sustainable, environmentally friendly and cost-effective. In this manner, although silicon-based solar cells have high efficiency and are commercialized, their production processes still require high-cost investments. These disadvantages of silicon based solar cells have led studies to focus on organic-based solar cells. Among organic based solar cells, perovskite based solar cells seem to be the most promising especially in recent years. However, perovskite solar cells have many problems to be solved before they can be commercialized. In this thesis, it is aimed to determine the effect of electron transport layer on cell performance in perovskite-based solar cells. For this purpose, studies have been carried out on the production, characterization and investigation of the effect on the cell performance of materials that can be alternatives to TiO2, such as SnO2 and ZnO, which is widely used as electron transport layer in perovskite-based solar cells. In another study conducted within the scope of this thesis, the effect of stoichiometric ratio of the precursor compounds (MAI and PbI2) on cell performance was investigated. 
In the scope of the study, metal oxides used as electron transport layer were prepared by magnetron sputtering method and the characterizations of these materials were carried out by x-ray diffraction method, scanning electron microscopy, energy dispersive x-ray analysis, ultraviolet-visible methods. Eight differents perovskite solutions have been prepared from 1:0.4 to 1:1.8 molar rate by changing the PbI2 ratio (increasing by 0.2 M) while keeping the MAI ratio constant and these solutions were deposited on ETL by spin coating method. Cu phthalocyanine as hole transport layer was also coated by spin coating method and 24 cells were produced in n-i-p architecture.The data obtained by J-V measurements such as Voc, Isc, FF, PCE of the produced cells were scanned forward and reversed (from -1V to +1V/+1V to -1V) and the results were discussed. The highest power conversion efficiency value was reached as 4.21% in the forward scan data where where SnO2 was used as ETL and the perovskite ratio was 1:1.2.  Although a small hysteresis effect was observed in devices using ZnO and TiO2 as electron transport layers, the maximum hysteresis effect was observed in devices using SnO2.