Verimli, kararlı ve Pb içermeyen perovskit güneş modüllerinin geliştirilmesi
Development of efficient, stable and Pb-free perovskite solar modules
Yazar: FEYZANUR KABATAŞ
Danışman: PROF. DR. FEHİM FINDIK
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Perovskite güneş pillerine olan ilgi; düşük maaliyetleri, ayarlanabilir absorpsiyon
dalga boyu aralıkları, güç dönüşüm verimliliklerinin iyileştirilebilir olması, yük
taşıyıcıların rekombinasyon olmadan taşıyabilmesi gibi ilgi çekici özelliklerinden
ötürü gün geçtikçe artmaktadır. Günümüze kadar rapor edilen en yüksek verimli
perovskite güneş pilleri %31,4'lük Shockley-Queisser sınırına yaklaşarak %25,2'ye
[30] kadar yükselen kurşun bazlı olanlardır. Bu aygıtlar ile bulunan PCE (Power
Conversion Efficiency) değerleri her geçen gün artıyor olsada, bu artış ile cihazın
dayanıklılığının uyumlu olduğu söylenemez. Bu uyumsuzluğun temelinde organik
hibrit perovskitlerin içsel kararsızlığı ve düşük termal stabiliteleri (<150 o C) yer
almaktadır. Ayrıca bu aygıtların ticarileştirilmesinin önündeki en önemli bariyerler
kurşunun çevresel toksisitesi, zayıf termal stabilitesi, istenmeyen fazlara
kristaleşebilme potansiyelleri, oksijen ve neme bağlı olarak performanslarındaki
ciddi düşüşler gösterilebilir [14,15,16,30]. Bu sebeple Pb'nun az miktarda diğer
malzemelere eklenmesi veya kurşun içermeyen perovskitlerin geliştirilmesi
gerekmektedir. Bu sebeple Pb ile bant aralığı, yarıçap, yüksek optik absorpsiyon
katsayısı gibi benzer özelliklere sahip elementler araştırılmalıdır. Ticarileşme
aşamasına geçilebilmesi için ayrıca perovskit malzemesinin uzun süreli termal
stabilitesi sağlanmalıdır [16]. Bu tez çalışması kapsamında Pb yerine daha az toksik
olan Sn 2+ ve Cd +2 ile çalışılmıştır. Bu iki malzemeyi desteklemek, optimizasyon
sağlamak, taşıyıcı düfüzyon uzunluğunu arttırmak için organik katyon olarak
DMABr'ün kullanılması ve yapıyı daha kararlı bir hale getirmek, histerizis
davranışları azaltmak ve tekrarlanabilirlik sağlamak için ise organik katyon Cs + ile
katkılanmıştır [17,18]. Yapılan laboratuvar çalışmalarında DMASnBr 3 'ün Cs + ile
katkılanmasıyla yüksek verimli bir aygıt elde edileceği ve Sn oksidasyonunun
kontrol edilebilir hale geleceği görülmüştür. Ayrıca DMACdBr 3 'ün Cs + ile
katkılanması sonucunda enkapsülasyon işlemi yapılmaksızın aygıtın dört ay kadar
çalıştığı ve verimliliğin arttığı gözlemlenmiştir. Perovskite güneş pilleri Ar-Ge
çalışmasının her aşaması kendi içerisinde bir öneme sahiptir. Reçetenin mol oranları,
uygulama metotlarının bazı aşamalarında, kullanılan dirençli camlarda ve özellikle
kaplama ve tavlama koşullarında yapılan önemli değişiklikler neticesinde perovskite
güneş pillerinin özellikle kararsızlık problemleri üzerinde önemli sonuçlar elde
edileleceği,verimli ve kurşun içermeyen bir reçete geliştirilebilmesi planlanmaktadır.

Abstract:
İnterest in perovskite solar cells; It is increasing day after day due to its interesting
features such as low costs, adjustable absorption wavelength ranges, improvement of
power conversion efficiencies, and the ability of load carriers to carry without
recombination. The highest-efficiency perovskite solar cells obtained to date are
lead-based ones, approaching the Shockley-Queisser limit of 31.4%, rising to 25.2%
[30]. Although the PCE (Power Conversion Efficiency) values found with these
devices are increasing day by day, it cannot be said that this increase is compatible
with the durability of the device. The basis of this incompatibility is the inherent
instability and low thermal stability (<150 o C) of organic hybrid perovskites. In
addition, the most important barriers to the commercialization of these devices can
be shown as the environmental toxicity of lead, its poor thermal stability, its potential
to crystallize into undesirable phases, and serious decreases in its performance due to
oxygen and moisture [14,15,16,30]. For this reason, small amounts of Pb need to be
added to other materials or lead-free perovskites requirement to be developed.
Therefore reason, elements with similar properties such as band gap, radius, high
optical absorption coefficient with Pb should be investigated. Long-term thermal
stability of the perovskite material must also be ensured in order to proceed to the
commercialization stage [16]. Within the scope of this dissertation, Sn 2+ and Cd +2 ,
which are less toxic, were studied instead of Pb. The use of DMABr as the organic
cation to support these two materials, to provide optimization, to increase the carrier
diffusion length, and to make the structure more stable, to reduce hysteresis
behaviors and to provide reproducibility, the organic cation Cs + was doped [17,18].
In laboratory studies, it's been observed that by doping DMASnBr 3 with Cs + , a high-
efficiency device will be obtained and Sn oxidation will become controllable. In
addition, as a result of the doping of DMACdBr 3 with Cs + , it was observed that the
device worked for up to four months without encapsulation and increased efficiency.
Each stage of the R&D study of perovskite solar cells has a different importance. As
a result of the significant changes made in the mole ratios of the recipe, at some
stages of the application methods, in the resistive glasses used, and especially in the
coating and annealing conditions, it is planned to develop an efficient and lead-free
recipe that will achieve significant results on the instability problems of perovskite
solar cells.