TiO2 tabanlı perovskite güneş pillerinde tekrarlanabilir üretim koşullarının belirlenmesi
Determination of the reproducible production conditions of the TiO2-based perovskite solar cells
Yazar: ÇİSEM KIRBIYIK
Danışman: PROF. DR. MAHMUT KUŞ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Hibrit malzemeler = Hybride materials ; Kimya mühendisliği = Chemical engineering ; Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
Perovskite güneş pilleri (PGP), yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde yüksek verimlerinin yanı sıra düşük maliyetli çözelti süreçleri ya da basit fiziksel buhar biriktirme teknolojileri ile kolayca üretilebildiklerinden oldukça ilgi çekici bir araştırma alanı oluşturmaktadır. Literatürde elektron iletim malzemesi olarak kullanılan pek çok malzeme arasında özellikle TiO2 kimyasal dayanıklılığı, iyi yarı iletken özellikleri ve kararlı nanopartikül ve poröz yapı oluşturabilmesi nedeniyle en çok tercih edilen yarı iletkenlerden biridir. Bu nedenle çalışma kapsamında düzlemsel ve mesoporik perovskite güneş pillerinde elektron iletim malzemesi üzerine inşa edilen dizilimler tercih edilmiştir. Ancak literatürde TiO2 tabanlı perovskite güneş pillerinin tekrarlanabilirliği hakkında pek fazla çalışma bulunmamaktadır. Ancak tekrarlanabilirlik PGP'nin ticarileşmesi açısından oldukça önemli bir parametredir.
Homojen bir perovskite tabakasının oluşumu yüksek performanslı cihazların üretiminde ve tekrarlanabilir koşulların elde edilmesinde en önemli etkenlerden biridir. Yapılan çalışmalar sırasında verimlerin yükseltilmesi ve tekrarlanabilirliğin sağlanabilmesi için alternatif teknikler araştırılmıştır. 
Farklı perovskite bileşimleri ve farklı kristallendirme teknikleri denenmiş ve düzlemsel yapılı perovskite güneş pillerinde CH3NH3PbI3 bileşiminin %10 verimle çalışırken CH3NH3PbIxCl3-x bileşiminin %4 verimle çalıştığı belirlenmiştir. Ayrıca CH3NH3PbI3 bileşiminin daha tekrarlanabilir olduğu kaydedilmiştir. Bu nedenle bl-TiO2 tabanlı güneş pillerinde CH3NH3PbI3 tabakasının en iyi çalışma koşulları belirlenmiştir. 
Önerilen diğer yöntemlerden biri de ara yüzeylerin küçük kendiliğinden monte olabilen moleküllerle (SAM) modifikasyonudur. Bu nedenle yapılan çalışmada hem mezoporik hem de düzlemsel TiO2 yüzeyleri seçilen 6 farklı SAM malzemesi ile modifiye edilmiş ve PGP'lerinin fotovoltaik özelliklerinin, enerji dönüşüm veriminin iyileştirilmesi ve tekrarlanabilirliği incelenmiştir. 
Üretilen her bir ince film UV-Vis, SEM, AFM, optik mikroskop, EQE, XRD ve XPS gibi tekniklerle karakterize edilmiş ve yüzeylerin morfolojik, yapısal özellikleri incelenmiştir. Perovskite güneş pillerinin üretiminin tamamlanmasının ardından fotovoltaik özellikleri incelenerek modifikasyon işleminin etkisi belirlenmiştir. Sonuç olarak düzlemsel dizilimli TiO2 güneş pillerinde modifikasyon işlemi ile verimin %6'dan (modifiye edilmemiş) %9,5'a (modifiye edilmiş) %50 oranında arttırıldığı ve her seride 12 adet pil üretimi sonucu gerçekleştirilen tekrarlanabilirlik denemelerinde en iyi üretim koşullarında %70'in üzerinde bir tekrarlanabilirlik sağlandığı belirlenmiştir. Mezoporik TiO2 tabanlı perovskite güneş pillerine bakıldığında modifikasyon işleminin pozitif bir etkisi olmadığı ve verimlerin bl-TiO2 tabanlı güneş pillerine göre düşük olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In renewable energy resources, perovskite solar cells have gained great attention due to their high efficiency and reproducibility by low-cost solution processing or simple physical vapour deposition. In literature, there are too many different type of electron transporter materials, which are used in solar cells production. Among them, TiO2 is the most widely used semiconductor due to its good semiconductor properties and ability to form stable nanoparticles and porous structures. Therefore, in this study, we used TiO2 material for the production of both planar and mesoporous type perovskite solar cells. However, there are not sufficient works about the reproducibility of perovskite solar cells and reproducibility is one of most important point for commercial application of perovskites. The uniform perovskite layer formation is the important parameter to produce high performance device. In the scope of work, alternative techniques were investigated to improve photovoltaic characteristics and increase the reproducibility.
In this study, different perovskite compositions and and crystalization techniques were carried out and CH3NH3PbI3 composition resulted with 10% efficiency whereas CH3NH3PbIxCl3-x compositon resulted with 4% efficiency. Also, CH3NH3PbI3 composition based planar solar cells gave higher reproducible results. Therefore, the studies of optimum parameters determination of CH3NH3PbI3 layer were carried for bl-TiO2 based solar cells. Different techniques have been reported to prepare uniform perovskite layer by several authors. One of these technique is modification of TiO2 surface by some small molecules. Therefore, we modified TiO2 surface by 6 different type of small self-assemble monolayer molecules (SAM) and we investigated the effect of the deposition of SAMs onto both planar and mesoporous TiO2 layer on morphology and crystal uniformity of perovskite thin film and photovoltaic performances of produced solar cells. Also, we investigated the effect on the reproducibility of solar cells.
For each obtained thin films, UV-Vis, SEM, AFM, optical microscope, EQE, XRD and XPS techniques were used for characterization of morphological and structural properties. The photovoltaic characterization of produced final solar cells were conducted to determine the effect of modification by SAM. As a result, the power conversion efficiency was increased from 6% (non-modified) to %9,5 (modified) for bl-TiO2 based perovskite solar cells. Additionally, 12 solar cells were produced for every duplicated production in reproducibility tests and efficiencies resulted over 70% reproducibility. Also, the modification has no positive effect on photovoltaic properties of mesoporous TiO2 based perovskite solar cells when was compared with bl-TiO2 based perovskite solar cells.