Perovskit güneş hücrelerinde kuantum nanomalzemeler ile katkılama işleminin fotovoltaik parametrelere etkisi
The effect of doping with quantum dot nanomaterials on photovoltaic parameters in perovskite solar cells
Yazar: AYŞEGÜL TOPRAK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ERSÖZ ; DOÇ. DR. PARVANEH MOKARIAN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
Perovskit güneş pilleri (PGP) fotovoltaik teknolojiler arasında yüksek verim elde etme ve düşük maliyetli üretim sağlaması açısından ilgi çekici bir araştırma alanına sahiptir. Perovskit güneş pilleri düşük maliyetleri, imalat kolaylığı ve yüksek dönüşüm verimliliğine sahip yeni nesil fotovoltaik teknolojiler olarak ortaya çıkmasına rağmen ticari uygulamaları için daha fazla iyileştirme gerekmektedir. Pil performansının iyileştirilmesini cihaz içindeki katmanlarda ve arayüzeylerde araştırmak önemlidir. Perovskit güneş pillerinin perovskit tabakasının uygun malzemelerle katkılanması fotovoltaik performansını geliştirmeyi mümkün kılar. Karbon kuantum noktalar (KKN) olarak bilinen küçük karbon nanopartiküller, bu katkı maddelerinin yeni ve umut verici üyesidir. Karbon kuantum noktalar (KKN) boyutları 2-10 nm arasında değişen ve güçlü floresans özelliğe sahip olan karbon temelli sıfır boyutlu, yarı küresel bir yapıya sahip nanomalzemelerdendir. Karbon kuantum noktalar suda çözünürlük, hızlı ve kolay hazırlanabilme, ucuz ve kolay sentez yöntemleri, düşük toksisite, biyouyumluluk ve kolay işlevselleştirme gibi üstün özelliklere sahiptir. Bu olağanüstü kimyasal, elektriksel ve mekanik özellikleri, karbon kuantum noktaları yüksek fotovoltaik performansa sahip perovskit piller oluşturmak için en potansiyel aday haline getirir. 
Bu tez çalışması karbon kuantum noktaların Bor (B) ve Azot (N) gibi farklı hetero-atomlarla katkılanmasıyla floresans özelliklerinin iyileştirilmesi ve sentezlenen Azot katkılı Karbon Kuantum Nokta (N-KKN) ve Bor Katkılı Karbon Kuantum Noktaların (B-KKN) perovskit güneş pillerinin aktif tabakasına dahil edilmesiyle güneş pili veriminin artırılması çalışmalarına odaklanmaktadır. Çalışma kapsamında Karbon Kuantum Noktaların sentezleri gerçekleştirilmiş, optik ve yapısal özellikleri UV-Vis absorpsiyon ve PL spektroskopisi ayrıca TEM ve XPS teknikleriyle karakterize edilmiştir. Sentezlenen ve karakterize edilen N-KKN ve B-KKN'lar perovskit güneş pillerine dahil edilerek pilin fotovoltaik parametreleri belirlenmiştir. Katkısız perovskit güneş pillerinin verimliliği yaklaşık %10 olarak elde edilirken, N-KKN ve B-KKN ile katkılanan perovskit güneş pillerinde sırasıyla %14.0 ve %12.7 verimliliğe ulaşılmıştır. Ayrıca Katkılı/Katkısız üretilen her bir MAPbI3 ince filmin XRD, SEM, AFM, EQE ve UV-Vis teknikleriyle yapısal, morfolojik ve optik karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir.
Elde edilen analiz sonuçlarında perovskit güneş pillerine dahil edilen KKN'ların pil verimini artırdığı ve yüzey morfolojisini iyileştirdiği kanıtlanmıştır. Tez kapsamında yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçların özgün değeri sonraki çalışmalara yol gösterici nitelikte yer alacaktır.

Abstract:
Perovskite solar cells (PSC) among photovoltaic technologies are an interesting research area because they provide high efficiency and low-cost production. Although perovskite solar cells have emerged as new generation photovoltaic technologies with low costs, ease of manufacturing and high conversion efficiency, further improvements are required for their commercial applications. It is important to investigate improvement off cell performance at layers and interfaces within the device. Doping the perovskite layer of perovskite solar cells with suitable materials allows improving the photovoltaic performance. Small carbon nanoparticles, known as carbon quantum dots (CQDs), are a new and promising candidate for doping. Carbon quantum dots (CQDs) are carbon-based nanomaterials with a zero-dimensional, semi-spherical structure, with sizes varying between 2-10 nm and strong fluorescence properties. Carbon quantum dots have superior properties such as water solubility, fast and easy preparation, cheap and easy synthesis methods, low toxicity, biocompatibility and easy functionalization. The outstanding chemical, electrical and mechanical properties of carbon quantum dots make them the most potential candidate for creating perovskite cells with high photovoltaic performance. 
This thesis focuses on improving the fluorescence properties of carbon quantum dots by doping them with Boron (B) and Nitrogen (N) hetero-atoms and increasing the solar cell efficiency by incorporating the synthesized N-CQDs and B-CQDs into the active layer of perovskite solar cells. The optical and structural properties of N-CQDs and B-CQDs were characterized by UV-Vis absorption and PL spectroscopy as well as TEM and XPS techniques. The synthesized and characterized N-CQDs and B-CQDs were incorporated into perovskite solar cells and the photovoltaic parameters of the cells were determined. While the efficiency of pure perovskite solar cells was approximately 10%, N-CQDs and B-CQDs doped perovskite solar cells achieved 14.0% and 12.7% efficiency, respectively. In addition, structural, morphological and optical characterizations of each MAPbI3 thin film produced with or without doping were carried out using XRD, SEM, AFM, EQE and UV-Vis techniques. 
Analysis results showed that CQDs incorporated into perovskite solar cells increased cell efficiency and improved surface morphology. The original value of the results obtained from the studies carried out within the scope of the thesis will serve as a guide for future studies.