Yeni nesil perovskit güneş hücrelerinde iskelet yapıların desenlenmesi
Patterning of scaffold structures on new generation perovskite solar cells
Yazar: KORAY KARA
Danışman: PROF. DR. MAHMUT KUŞ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Perovskit yapılar, son yıllarda düşük maliyetli çözünür süreçler ile yüksek verimli güneş hücrelerinin üretimine imkan veren son derece ilgi çekici bir araştırma konusudur. Literatürde farklı avantajlara sahip olan TiO2 gözenekli ve düzlemsel yapıda güneş hücresi çalışmaları bulunmaktadır. Özellikle yüksek etkin alana sahip olan gözenekli yapıların üretim maliyetleri, organik moleküllerin kullanıldığı düzlemsel yapıdaki hücrelere göre çok yüksek olmaktadır. Organik malzemelerin düşük mobilite değerleri nedeni ile uygulamada sınırlı bir performansa sahip oldukları bilinmektedir. Ancak organik malzemeler tek kristal olarak büyütüldüğünde bu dezavantajları ortadan kalkmaktadır. Organik tek kristallerin üretim ve uygulamları konusu oldukça yenidir ve literatürde oldukça az örneği bulunmaktadır. 
Bu çalışmada öncelikle homojen bir perovskite tabakası elde edilerek tekrarlanabilir üretim şartları belirlenmiş ve yüksek verimli güneş hücreleri için optimum parametreler elde edilmiştir. Bu amaçla farklı CH3NH3PbI3 perovskit üretim teknikleri araştırılarak düzlemsel yapıdaki performansları karşılaştırılmıştır. 
PDMS baskılama ve v-PVT teknikleri ile nano boyutta iskelet yapılar oluşturularak, gözenekli ve düzlemsel güneş hücresi yapılarının farklı avantajları bir araya getirilmiştir. v-PVT yöntemine grafen ve grink çekirdeklenme tabakaları üzerinde çinko fitalosiyanin (ZnPc) organik tek kristal nano sütunların üretilmesi için yer verilmiştir. ZnPc nano sütunlar kendiliğinden rastgele desenlenmiş  şekilde yüzeyde büyütülerek boşluk iletim katmanı olarak kullanılan iskelet yapılar elde edilmiştir. Üretilen bu nano yapıların aynı zamanda PDMS baskılama ile grink çözeltisi desenlenerek düzenli nano yapılar elde edilmiş ve güneş hücresi üretiminde kullanılmıştır. PDMS baskılama yöntemi ile TiO2 tabakası desenlenerek elde edilen güneş hücrelerinin enerji dönüşüm veriminin iyileştirilmesi incelenmiştir. 
Üretilen ince filmler ve nano yapılar UV-Vis, SEM, AFM, optik mikroskop, IPCE, XRD ve UPS gibi ileri tekniklerle karakterize edilerek optik, morfolojik ve yapısal özellikleri incelenmiştir. Perovskit güneş hücrelerinin üretilmesinden sonra, fotovoltaik karakterizasyonları yapılarak desenleme çalışmasının etkisi belirlenmiştir. Sonuç olarak düzlemsel TiO2 güneş hücrelerinde desenleme ile verimin %6,7'den (modifiye edilmemiş) %8,6'ya (modifiye edilmiş) yükselttiği belirlenmiştir. Nano sütunların iskelet yapı olarak kullanıldığı güneş hücrelerinde en iyi sonuçları desenlenmiş grink üzerinde büyütülen ZnPc ile üretilen güneş hücreleri vermiştir. İnce film ZnPc ile %7,6 olarak bulunan verim, desenlenmiş grink film üzerinde büyütülen ZnPc nano sütunların kullanılması ile %10,9'a çıkarılmıştır.

Abstract:
In recent years, perovskite structures which make it possible high-performance solar cells fabrication by the low-cost soluble process are a very attractive research area. In literature, there are so many studies on mesoporous TiO2 and planar structure solar cells. Especially it is very high the fabrication costs of mesoporous TiO2 solar cells which has a high effective area in comparison with planar solar cells fabricated from organic materials. It is very well known that organic materials have limited performance due to the low mobility. However, this handicap of the organic materials could be vanished by the deposition of single crystal form. The subject of the fabrication and applications of organic single crystals are very novice and very few sample could be found in literatuıre. 
In this study, primarily reproducible fabrication conditions of homogeneous perovskite crystals and carried out the optimization parameters to high-performance solar cells. Planar structure solar cells performances compared to different CH3NH3PbI3 perovskite fabrication methods investigated, for this purpose. The advantages of mesoporous and planar structures are combined with the fabrication of scaffold structures in nanoscale by the PDMS imprinting and the vertical physical vapor transport (v-PVT) techniques. The v-PVT system employed to deposition of zinc phthalocyanine (ZnPc) molecules as single crystal nanopillars on graphene-ink (grink) and graphene nucleation layers. The scaffold structures get by randomly self-patterned ZnPc nanopillars deposited on a surface which is utilized as hole transport layers. These nanostructures also patterned with the grink solution by the PDMS imprinting and used to the fabrication of solar cells. The improvement of energy conversion of solar cells fabricated by PDMS imprint of the TiO2 layer is investigated.
Optical, morphological and structural properties of fabricated thin films and nanostructures were investigated by using UV-Vis, SEM, AFM, UPS, optical microscopy, IPCE and XRD techniques. Perovskite solar cell current-voltage characterizations were conducted to understand the patterning effect on photovoltaic device parameters. As a result, the efficiency increase determined from %6,7 to %8,6 in planar TiO2 by patterning. Best results in the solar cells made from nanopillars employed as scaffold layers, obtained from the nanopillar structure fabricated by patterned grink solutions. The result obtained from thin film ZnPc %7,6 has increased to %10,9 by using nanopillars developed on patterned grink film.