Çözelti ve vakum esaslı yöntemler ile perovskit güneş hücrelerinin üretimi ve karakterizasyonu
Production of perovskite solar cells by solution and vacuum based methods and their characterization
Yazar: İSMAİL CİHAN KAYA
Danışman: DOÇ. DR. HASAN AKYILDIZ ; PROF. DR. SAVAŞ SÖNMEZOĞLU
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Güneş enerjisi sistemleri = Solar energy systems ; Optoelektronik sistemler = Optoelectronic systems ; Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell ; İleri üretim teknolojisi = Advanced production technology

Özet:
Bu tez çalışmasında, çözelti ve vakum esaslı biriktirme yöntemleri kullanılarak perovskit güneş hücrelerinin üretimi optimize edilmeye çalışılmıştır. Çözelti esaslı hücre üretiminde MAPbI3 ve Cs(0,05)FA(0,85)MA(0,1)PbI(2,7)Br(0,3) olmak üzere iki farklı kompozisyonda perovskit bileşimi kullanılmıştır. FTO/k-TiO2/m-TiO2/perovskit/Spiro-OMeTAD/Au (k-TiO2: kompakt TiO2, m-TiO2: mezoporoz TiO2) konfigürasyonunda üretilen hücrelerde Cs(0,05)FA(0,85)MA(0,1)PbI(2,7)Br(0,3) kompozisyonuna sahip perovskit bileşik ile Voc: 1,105 V, Jsc: 23,38 mA/cm2, FF: 0,66 ve verim değeri %17,0 olan hücreler başarı ile üretilmiştir. Ayrıca, k-TiO2/m-TiO2'ye alternatif olarak SnO2'nin elektron taşıyıcı olarak kullanıldığı düzlemsel hücrelerin üretimi yapılmış ve verim değeri %15,06 olan bu hücrenin Voc, Jsc ve FF değerlerinin sırasıyla 1,091 V, 22,63 mA/cm2 ve 0,54 olduğu tespit edilmiştir. Spiro-OMeTAD'a alternatif olarak önerilen inorganik boşluk taşıyıcı CuSbS2 ile üretilen hücreden elde edilen en yüksek verimin %4,3 olduğu ve düşük verimin CuSbS2'nin kaplanması sürecinde sürekli bir film oluşturacak şekilde paketlenememesinden kaynaklandığı belirlenmiştir. 
Isıl buhar biriktime yöntemi ile MoO3/TaTm, MoO3/H2, MoO3/PTAA, PTAA ve PolyTPD'nin boşluk taşıyıcı, C60/BCP'nin ise elektron taşıyıcı olarak kullanıldığı MAPbI3 esaslı hücreler üretilmiş ve PTAA tabakaya sahip hücrenin diğerlerine göre termal olarak daha kararlı olduğu gözlemlenmiştir. PTAA kullanılarak Voc, Jsc, FF ve verim değerleri sırasıyla 1,087 V, 22,12 mA/cm2, 0,79 ve %19,2 olan hücreler başarı ile üretilmiştir. Bu hücrelerin oda sıcaklığı ve 65 °C raf ömrü kararlılık deneylerinde 850 h sonunda sırasıyla ilk veriminin %92 ve %82'sini koruduğu tespit edilmiştir. Bunlara ek olarak, oda sıcaklığı ve 85 °C arasında 200 termal çevrime maruz bırakılan hücrenin ilk veriminin %95'ini koruduğu gözlemlenmiştir. Işık altında maksimum güç noktası takip edilerek yapılan çalışma durumu kararlılık testinde ise hücre 230 h içinde başlangıç veriminin %80'ini koruyabilmiştir. Çalışma durumunda meydana gelen verim kaybının perovskitin kristalinitesinde azalmaya bağlı olduğu tespit edilmiştir. Kristalinitede azalma, hem soğurmada düşüşe neden olmuş hem de kristal yapıdaki noktasal hata konsantrasyonunda artışa bağlı olarak Shockley-Read-Hall yeniden birleşme oranını artırmıştır. Böylece, çalışma durumunda verimde azalmanın perovskit tabakadan kaynaklandığı ortaya konulmuştur.

Abstract:
In this thesis study, perovskite solar cells production was tried to be optimized using solution and vacuum based deposition methods. In solution deposition, two different perovskite compounds were used, i.e., MAPbI3 and Cs(0,05)FA(0,85)MA(0,1)PbI(2,7)Br(0,3). The cells with FTO/c-TiO2/m-TiO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au configuration were fabricated via Cs(0,05)FA(0,85)MA(0,1)PbI(2,7)Br(0,3) composition as the  absorbing layer and exhibited Voc of 1.105 V, Jsc of 23.38 mA/cm2, FF of 0.66, and PCE of 17.0%. In addition, planar cells were produced with SnO2 as a substitute for c-TiO2/m-TiO2 electron transporting layer. These cells displayed an efficiency of 15.06% with the corresponding photovoltaic parameters; Voc 1.091 V, Jsc 22.63 mA/cm2, and FF 0.54. Moreover, perovskite solar cells were fabricated with inorganic CuSbS2 hole transporting layer, however the efficiency of the cell was only 4.3%. This low efficiency was attributed to poor packing of the plate-like CuSbS2 particles on the perovskite layer with the formation of a noncontinous layer.
In vacuum deposition method, MAPbI3 based perovskite solar cells with various hole transporting layers such as MoO3/TaTm, MoO3/H2, MoO3/PTAA, PTAA, and PolyTPD were fabricated by employing the C60/BCP as electron transporting layer. Among them, the cell produced with PTAA showed the highest stability under thermal stresses. This cell exhibited an efficiency of 19.2% with Voc of 1.087 V, Jsc of 22.12 mA/cm2, and  FF of 0.79. The cell retained 92% and 82% of its initial PCE after aging for 850 h at room temperature and 65 °C, respectively. Even after thermal cycling between room temperature and 85 °C for 200 cycles, 95% of the initial PCE was maintained. Under continuous illumination and with maximum power point tracking (MPPT) Ts80 life time was obtained as 230 h. The decay of the initial efficiency under illumination was determined to be related with the decrease in the crystallinity of the perovskite layer. This also led to a decrease in the optical absorption of the cell. Moreover, Shockley-Read-Hall recombination rate was increased due to the increase in the concentration of defects or trap states in the crystal structure. Therefore, the study has clearly shown that the decrease in the efficiency of the cells under operating conditions was originated from the perovskite layer.