Yeni nesil inorganik nanoparçacıkların sentezi ve boşluk taşıyıcı tabakası olarak perovskit güneş hücreleri uygulamaları
The synthesis of new generation inorganic nanoparticles and their application as hole transport layer in perovskite solar cells
Yazar: SEÇKİN AKIN
Danışman: PROF. DR. SERVET TURAN ; PROF. DR. SAVAŞ SÖNMEZOĞLU
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş pilleri = Solar cells ; Hidrotermal sentez = Hydothermal synthesis ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Son yıllarda fotovoltaik teknolojisinde önemli bir yer edinen perovskit güneş hücreleri (PGH), %23'ün üzerindeki verim değerleri ile ticarileşme yolundaki en önemli engellerden birini aşmış durumdadır. Ancak, yüksek verimli hücrelerde boşluk transfer tabakası (HTL) olarak kullanılan organik tabanlı spiro-OMeTAD'ın yüksek maliyeti ve içerdiği higroskopik katkılar sebebiyle uzun-dönem hücre kararlılığına olumsuz etkileri bu hücre türünün ticarileşme potansiyelini sınırlayan temel etkenlerdir. Bu çalışmada, spiro-OMeTAD ile kıyaslandığında çok daha ucuza elde edilebilme imkanı sunan ve katkı içermemesi sebebiyle aygıt kararlılığı üzerine olumsuz etkileri bulunmayan inorganik CuCrO2 (CCO) ve CuFeO2 (CFO) malzemelerinin HTL olarak n-i-p konfigürasyonlu PGH'lerine entegrasyonu başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Hidrotermal yöntem ile üretilen HTL malzemelerinin spiro-OMeTAD ile kıyaslandığında; iyi boşluk mobilitesi sunduğu ve hem perovskit hem de metal üst elektrot ile uyumlu enerji seviyelerine sahip olduğu belirlenmiştir. Gerçekleştirilen optimizasyon çalışmaları sonucunda hücre verimleri ihmal edilebilir histeresis ile CCO için %16.7 (16.04 ± 0.40) ve CFO için %15.5 (15.12 ± 0.28) olarak elde edilmiştir. %19.4 (18.87 ± 0.34) verim sunan spiro-OMeTAD tabanlı hücre ile kıyaslandığında kısmen düşük olan bu değerler, arayüzeylerde meydana gelen olası rekombinasyon olaylarına ve akım kaçaklarına atfedilmiştir. Ancak, hem nem miktarına bağlı raf-ömrü (60 gün) hem de operasyonel kararlılık (500 saat) ölçümlerinden inorganik HTL tabanlı hücrelerin başarılı bir duruş sergilediği tespit edilmiştir. Tahmini maliyet analizlerinin de rapor edildiği çalışmada, yüksek verim/maliyet oranı ve uzun dönem kararlılıkları ile inorganik HTL malzemelerinin PGH'lerinin ticarileşme potansiyelinin pratiğe dönüşmesi açısından iyi bir alternatif olduğu söylenebilir.

Abstract:
Perovskite solar cells (PSCs), which have an important role in photovoltaic technology in recent years, have exceeded one of the most important obstacles in the way of commercialization with efficiency values above 23%. However, the high cost of organic-based spiro-OMeTAD, which is used as a hole transport layer (HTL) in high efficiency cells, and its adverse effects on long-term cell stability due to the hygroscopic additives inside, are main factors that limit the commercialization potential of this cell type. In this study, the integration of inorganic CuCrO2 (CCO) and CuFeO2 (CFO) materials into the n-i-p configuration PSCs were successfully carried out. These inorganic materials can be obtained with a much cheaper price as compared to spiro-OMeTAD as well as do not have any negative effect on the stability of the device due to lack of additives. As compared to spiro-OMeTAD, HTL materials produced by hydrothermal method offer good hole mobility and have suitable energy levels with both perovskite and metal top electrode. As a result of the optimization studies, conversion efficiencies were obtained as 16.7% (16.04 ± 0.40) for CCO and 15.5% (15.12 ± 0.28) for CFO with negligible hysteresis. These slightly lower values, as compared to the spiro-OMeTAD-based cell with 19.4% (18.87 ± 0.34) efficiency, were attributed to possible recombination events and current leakages occurring at the interfaces. However, it has been found that inorganic HTL based cells exhibit a successful posture from both humidity dependent shelf-life (60 days) and operational stability (500 hours) measurements. Estimated cost analysis is also reported and it can be said that inorganic HTL materials with high efficiency/cost ratio and long term stability are good alternative for the transformation of commercialization potential of PSCs into practice.