P3HT/PCBM esaslı organik fotovoltaik güneş pillerinde faz yapısının karışım oranları ve karbondioksit tavlaması üzerinden kontrolünün araştırılması
Investigation of the control of phase structure in P3HT/PCBM based organic photovoltaic solar cells by mixing ratios and carbon dioxide annealing
Yazar: ADEM KAYGISIZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SELDA TOPÇU ŞENDOĞDULAR
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Enerji = Energy ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Organik güneş pilleri hafiflik, esneklik, tasarlanabilen sınırsız malzeme seçimi, kolay ve ucuz üretim gibi birçok avantaj sunmaktadır. Organik güneş pillerinde çoğunlukla toplu heteroeklem konsepti esas alınmaktadır. Bunun için, polimer ve fulleren gibi yarı iletken karışımlar, organik güneş pilleri için en çok araştırılmış kombinasyonlardır. Polimer- fulleren karışım çözeltisi ile oluşturulan filmlerin morfolojisini kontrol etmek ve değiştirmek için termal, buhar tavlama gibi çeşitli yöntemler kullanılmasına rağmen, CO2 tavlama, dikey faz dağılımını kontrol etmek ve düzenli π-π istiflemeyi sağlamak için nispeten yeni bir tekniktir; CO2 ayrıca 'çevreci' bir plastikleştirme maddesi olarak kabul edilmektedir. Bu tez çalışmasında bir polimer ve fulleren çifti olarak organik güneş pilleri alanında önemli bir potansiyeli olan P3HT/PCBM yığın heteroeklem karışım filminin yeni bir çözücü olarak süper kritik CO2 ile tavlanarak dikey faz ayrılması ve yatay elektriksel iletkenliklerin arttırılması hedeflenmiştir. Farklı oranlardaki P3HT/PCBM karışımlarıyla ince filmler üretilerek, skCO2 tavlama ve termal tavlama işlemleri yapılmıştır. Optik mikroskop görüntüleme, SEM görüntüleme, su temas açısı ölçümü ve iki problu yatay elektriksel iletkenlik testleri ile karakterizasyon yapılmıştır.  Fulleren nanopartiküllerin yüzeyde yoğunlaşmasının termal tavlamaya göre CO2 tavlamasında daha iyi olduğu gözlenmiş, böylece kısmi faz ayrımı sağlanmıştır, ayrıca π-π istiflemenin düzenlenmesiyle yatay iletkenliğin arttığı sonucuna varılmıştır. 

Anahtar Kelimeler: Süperkritik karbondioksit, Isıl işlem, Organik Güneş pilleri, Konjuge polimerler, P3HT, PCBM

Abstract:
Organic solar cells offer many advantages such as lightness, flexibility, unlimited choice of materials that can be designed, easy and cheap production. Organic solar cells are mostly based on the concept of bulk heterojunction. For this, semiconductor mixtures such as polymer and fullerene are the most researched combinations for organic solar cells. Although various methods such as thermal, steam annealing have been used to control and change the morphology of the films formed with the polymer-fulerene mixture solution, CO2 annealing is a relatively new technique to control the vertical phase distribution and achieve regular π-π stacking; CO2 is also recognized as an 'environmental' plasticizer. In this thesis, it is aimed to increase the vertical phase separation and horizontal electrical conductivity by annealing the P3HT/PCBM bulk heterojunction mixture film, which has an important potential in the field of organic solar cells as a polymer and fullerene couple, with supercritical CO2 as a new solvent. Thin films were produced with P3HT/PCBM mixtures in different ratios, and skCO2 annealing and thermal annealing processes were carried out. Characterization was performed with optical microscope imaging, SEM imaging, water contact angle measurement and horizontal electrical conductivity tests with two probes. It was observed that the surface densification of fullerene nanoparticles was better in CO2 annealing than thermal annealing, thus providing partial phase separation, and it was concluded that the horizontal conductivity increased by arranging π-π stacking.

Keywords: Supercritical carbon dioxide, Heat treatment, Organic Solar cells, Conjugated polymers, P3HT, PCBM