Ditiyofen türevi polimerler ile üretilen organik güneş pillerinin optimizasyonu, karakterizasyon ve kararlılık çalışmaları
Optimization, characterization and stability studies of dithiophene polymers based organic solar cells
Yazar: TÜLİN ATEŞ TÜRKMEN
Danışman: PROF. DR. YUSUF YERLİ ; DOÇ. DR. ELİF ALTÜRK PARLAK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Güneş enerjisi = Solar energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Bu tez çalışmasında, düşük bant aralığına sahip üç farklı özgün ditiyofen türevi polimer ile üretilen organik güneş pillerinin fotovoltaik özellikleri incelenmiş, bu özelliklerin iyileştirilmesi için çalışmalar yapılmıştır. Çalışmada P1, P2, P-TQTBDT olarak isimlendirilen özgün polimerler donör olarak kullanılırken akseptör olarak PC61BM tercih edilmiş ve hacim heteroeklem yapıda piller üretilmiştir. 
Normal cihaz mimarisinde piller üretilirken, iletken ITO kaplı cam altlıklar üzerine boşluk ileten tabaka olarak PEDOT:PSS (poli-(3,4-etilendioksitiyofen) polistiren sülfonat) kaplanmıştır. Donör ve akseptör malzemelerin diklorobenzen içerisinde çözünmesi sağlanarak PEDOT:PSS üzerine kaplanmıştır. Son olarak katot elektrot olarak kalsiyum ve alüminyum termal buharlaştırma yöntemiyle kaplanarak ITO/PEDOT:PSS/Polimer:PCBM/Ca/Al yapısında üretilen pillerin fotovoltaik özellikleri incelenmiştir. 
Ayrıca P-TQTBDT ve ticari olarak temin edilen P3HT polimerleri ile tersinir cihaz mimarisinde hazırlanan pillerde elektron ileten tabaka olarak soljel yöntemiyle elde edilmiş çinko oksit (ZnO) çözeltisi kullanılmıştır. Katot olarak V2O5 (vanadyum oksit) ve alüminyum tercih edilmiştir. 
P1, P2 ve P-TQTBDT polimerlerinin her biri için donör-akseptör oranının, tavlama sıcaklığının ve konsantrasyonun, pillerin fotovoltaik özelliklerine etkileri incelenmiştir. 
Her üç polimer için de donör: akseptör oranı 1:1, 1:2, 1:3 ve 1:4 olacak şekilde hazırlanan pillerin fotovoltaik özellikleri incelenmiştir. P1 için 1:4; P2 için 1:2 ve P-TQTBDT için ise 1:3 oranda hazırlanan pillerin verim değerleri diğerlerininkinden daha yüksek elde edilmiştir. Optimum şartları sağlayan pillerin, cihazın gelen ışığın ne kadarını elektrik enerjisine çevirdiğini belirlemek amacıyla IPCE ölçümleri alınmıştır. Işığı soğurma özelliklerini belirlemek ve yüzey görüntülerini tespit etmek amacıyla düz cam üzerine ince film olarak kaplanan polimerlerin UV ölçümleri ile AFM görüntüleri alınmıştır. 
P1 ile yapılan çalışmalarda tavlamanın etkisini anlayabilmek için, aktif katman kaplandıktan sonra tavlama işlemi uygulanmayan piller ile 10 dakika süresince 70, 100 ve 120 C sıcaklıkta tavlanan pillerin verim değerleri karşılaştırılmıştır. Pillerin verimleri oldukça yakın değerlerde olsa da 70 C' de tavlanan pillerin kararlılıklarının daha iyi olduğu belirlenmiştir. Son olarak aktif katmana 1:10 oranda diiyodooktan (DIO) ve PEDOT:PSS' ye %4 oranda grafen oksit katkılayarak fotovoltaik parametreleri incelenmiştir. 
P2 polimeri ile hazırlanan pillerde aktif katman kaplandıktan sonra tavlama uygulanmayan piller ile 70 ve 120 C' de 10 dakika tavlanan pillerin verim değerleri karşılaştırılarak 120 C' de tavlanan pillerin verimlerinin daha büyük olduğu anlaşılmıştır. 
P-TQTBDT polimeri ile hazırlanan pillerde aktif katman kaplandıktan sonra tavlama ugulanmayan piller ile 70 ve 100 C' de 10 dakika tavlanan pillerin verim değerleri karşılaştırılarak annealing uygulanmayan pillerin verimlerinin daha büyük olduğu anlaşılmıştır. 
Polimerlerin her biri ile diklorobenzende 20 mg/ml ve 40 mg/ml konsantrasyonda çözeltiler hazırlanmıştır. P1 ve P-TQTBDT ile 40 mg/ml, P2 ile 20 mg/ml konsantrasyonda hazırlanan pillerin verim değerlerinin daha büyük olduğu belirlenmiştir.
Organik güneş pillerinin kararlılıklarının düşük olması en büyük dezavantajlarından biridir. Pillerin yaşam ömürlerini artırmak amacıyla, çalışmamızda ürettiğimiz pillerin her biri ortam koşullarından etkilenmemesi için reçine ve cam yardımıyla enkapsüle edilmiştir. Bunların dışında, P-TQTBDT polimeri ile hazırlanan piller, yeni bir yöntem olan ALD (atomic layer deposition, atomik katman biriktirme) tekniği ile enkapsüle edilerek kararlılıklarının artırılması sağlanmıştır. 
Kararlılık çalışmaları kapsamında, soljel yöntemiyle sentezlenen ZnO ile tersinir yapıda hazırlanan güneş pillerinin normal cihaz mimarisine göre çok daha kararlı olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, photovoltaic parameters of solar cells produced with three different novel dithiophene derived copolymers having low band gap have been investigated and optimized. In the study, novel polymers named P1, P2, P-TQTBDT were used as donors, while PC61BM was preferred as the acceptor.
PEDOT:PSS is coated as hole transport layer on conductive ITO coated glass substrates when producing the conventional type organic solar cells. Thereafter, the donor and acceptor materials were dissolved in dichlorobenzene and coated on PEDOT:PSS. Finally, the cathode electrode was coated on the active layer via thermal evaporation method. The photovoltaic properties of ITO / PEDOT: PSS / Polymer: PCBM / Ca / Al structure were investigated. 
While producing inverted devices, zinc oxide (ZnO) was used as the electron transport layer. ZnO was spin coated onto ITO coated glass substrate. V2O5 (vanadium oxide) and aluminum were preferred as the cathode. 
The effects of donor-acceptor ratio, annealing temperature and concentration on the photovoltaic properties of the solar cells were investigated for each of the P1, P2 and P-TQTBDT polymers. 
The photovoltaic properties of the devices prepared with the blend ratio of 1:1, 1:2, 1:3 and 1:4 with three polymers were investigated. The power conversion efficiency of the P1, P2 and P-TQTBDT polymers for 1:4, 1:2 and 1:3 ratios respectively were higher than the others. To determine how much of the incoming light is converted to the electrical energy, IPCE measurements of the solar cells have been made. In order to determine light absorption properties and to detect surface images of polymers, AFM images and UV measurements were taken.
In order to understand the effect of annealing on the photovoltaic properties of P1 solar cells, the efficiency values of the cells annealed at 70, 100 and 120 C for 10 minutes were compared with that of the cells which was not annealed after the active layer was coated. Although the efficiencies of the cells were quite close, it was determined that the stability of the annealed cells at 70 C was better. Finally, the effects of diiodoxane (DIO) and graphene oxide doping on photovoltaic properties were investigated.
The power conversion efficiency (PCE) of P2 solar cells annealed at 70 and 120 C and no annealed cells were compared. The PCE of the cell annealed at 120 C were higher than the others.
The P-TQTBDT solar cells, which were not annealed and annealed at 70 and 100 C for 10 minutes, were compared. The efficiency of the not annealed cells was higher than the others. 
20 mg and 40 mg of P1, P2 and P-TQTBDT polymers were dissolved in 1 ml dichlorobenzene. The power conversion efficiencies of the solar cells produced by using polymer at a concentration of 40 mg/ml for P1 and P-TQTBDT and 20 mg/ml for P2 were found to be higher than others. 
One of the biggest disadvantages of organic solar cells is their low stability. In order to increase the stability of the solar cells, the cells we produce in our study was encapsulated with resin and glass not to be affected by the ambient conditions. In addition, P-TQTBDT solar cells were encapsulated with atomic layer deposition technique as a new method, so their stability was increased.
It was determined that the stability of inverted solar cells produced by using ZnO synthesized via sol-gel method was better than the conventional type solar cells.