Tiyofen türevli kopolimerlerin organik güneş pili uygulamaları ve kararlılık çalışmaları
The stability investigation of thiophene copolymers based organic solar cells
Yazar: PELİN KAVAK
Danışman: PROF. DR. KUBİLAY KUTLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Günümüzde silikon tabanlı güneş pillerinin yüksek maliyetli olması ve üretimi sırasında zehirli gazların kullanılması gibi nedenlerden dolayı, düşük üretim maliyetli, oda sıcaklığında üretilebilen, mekanik esnekliğe sahip ve çevre dostu olma gibi avantajlara sahip olan organik polimer tabanlı fotovoltaik cihazlara ilgi artmıştır. Ancak, organik güneş pillerinin verimlerinin ve yaşam ömürlerinin düşük olması nedeniyle, son yıllarda kararlılığın iyileştirilmesi yönündeki çalışmalar pek çok bilim adamı tarafından araştırılmaktadır. Bu tez kapsamında, üretilen organik güneş pillerinin verimini, kararlılığını ve yaşam ömrünü etkileyen faktörler incelenmiştir. Geleneksel ve tersine çevrilmiş yapıda üretilen organik güneş pillerinin elektriksel ve yapısal ölçümleri I-V, C-V, IPCE, AFM ve UV kullanılarak incelenmiş olup; güneş pili parametreleri belirlenmiştir. Bu tez çalışmasında üretilen organik güneş pillerine metal nanoparçacıkların katkılanmasıyla güneş pillerinin verim, kararlılık ve yaşam ömürlerine etkisi detaylı olarak incelenmiştir. Yüksek nem ve sıcaklığa maruz bırakılan organik güneş pillerine ISOS-D3 ve ISOS-L1 yaşam ömrü testleri yapılarak organik güneş pilindeki kayıp mekanizmaları araştırılmıştır. Pillerde gerçekleşen akım mekanizmalarının açıklanabilmesi için aydınlık ve karanlık ortamda elektriksel analizleri yapılarak pil üzerinde yüklerin iletimi araştırılmıştır. Akım ve kapasitans ölçümleriyle diyot yapılarının ayrıntıları araştırılıp, bu özelliklerin güneş pillerine etkisi incelenmiştir. Tez çalışmasına, literatürde en çok kullanılan donör malzeme olan P3HT polimeri ile üretilen organik güneş pilinin incelenmesiyle başlanmıştır. ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca:Ag yapısında üretilen organik güneş piline aydınlık ve karanlık ortamda I-V ve C-V analizleri yapılmıştır. Karanlık ortamda gerçekleştirilen akım-gerilim grafiğine göre ürettiğimiz cihaz diyot özelliği gösterirken; aydınlık ortamda gerçekleştirilen akım-gerilim grafiğine göre de güneş pili özelliği göstermiştir.  Çalışmanın bir sonraki kısmında, gümüş (Ag) nanoparçacıkların PCDTBT polimeri ile üretilen organik güneş pillerine etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda geleneksel ve tersine çevrilmiş yapıda organik güneş pilleri üretilerek fotovoltaik parametreleri belirlenmiştir. Sonuç olarak Ag nanoparçacıkların, PCDTBT güneş pillerinin verimini arttırdığı ve gelen ışığın soğurulmasını iyileştirdiği gözlenmiştir.TiOX boşluk engelleyici tabakasının PCDTBT polimeri ile üretilen organik güneş pillerine etkisini incelemek amacıyla ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM/TiOX/Al yapısında organik güneş pili üretilerek elektriksel ve yapısal analizleri gerçekleştirilmiştir. En iyi sonucun elde edildiği organik güneş piline kararlılık testi uygulanmıştır ve TiOX tabakasının kararlılığı arttırdığı gözlenmiştir.ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM/TiOX/Ca:Ag yapısında üretilen organik güneş pillerinin elektriksel analizi akım-gerilim ve kapasitans-gerilim ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. Bu yapıdaki güneş pillerinde tuzaklanmış enjekte yüklerin gevşemesi nedeniyle aşırı sığa ve azınlık yük taşıyıcıların enjeksiyonundan kaynaklanan negatif kapasitans davranışı gözlenmiştir. Akım iletim mekanizmasını yorumlayabilmek için ürettiğimiz filmlerin ultraviyole ve görünür ışık absorpsiyon spektroskopi (UV-Vis) ölçümleri gerçekleştirilerek enerji-bant diyagramı oluşturulmuştur.PCPDTTBTT polimeri kullanılarak ITO/PEDOT:PSS/PCPDTTBTT:PCBM/Ca:Al yapısında ürettiğimiz organik güneş pillerinin optimum tavlama sıcaklığı tespit edilerek, laboratuvar ortamında ISOS-L1 ve ISOS-D3 kararlılık ve yaşam ömrü testleri uygulanmıştır. 80 ◦C'de tavlanan organik güneş pillerinin en iyi verim değerine sahip olduğu gözlenmiştir. Son olarak PCPDTTBTT polimeri ile üretilen organik güneş pillerine altın (Au) nanoparçacıkların etkisi incelenmiştir. PEDOT:PSS tabakasına farklı oranlarda Au nanoparçacık katkılanarak organik güneş pilinin fotovoltaik parametreleri belirlenmiştir. Au nanoparçacıkların güneş pillerinin kararlılığına etkisini belirlemek için güneş pili parametrelerinin zamana bağlı değişimi incelenerek nanoparçacıkların organik güneş pillerinin kararlılığını arttırdığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Organic photovoltaics (OPVs) have emerged as promising alternatives to silicon based solar cells due to their advantages in terms of low-cost, large area and mechanically flexible substrates. In this thesis, the stability and degradation of organic solar cells are analyzed. The electrical and morphological measureaments of the analysed solar cells are determined by current-voltage, capacitance-voltange, IPCE, AFM and UV measurements. The solar cell parameters of the solar cells investigated in this thesis are performed. Power conversion efficiency, stability and degradation enhancement of organic solar cells by addition metal nanoparticles into PEDOT:PSS and active layer were investigated. The loss mechanisms of the organic solar cells were determined from ISOS-D3, ISOS-L1 and shelf-life degradation tests. Current-voltage and capacitance-voltage measurements performed at dark and light ambient were used to understand the current mechanisms.The thesis study started with the investigation of P3HT organic solar cells. The electrical characterization of the  ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca:Ag structure was determined as a result of I-V and frequency-based admittance measurements carried out in dark and light ambient. As a result of the analysis, excess current/capacitance was observed on this structure. According to the dark current-voltage analysis the device that we produce showed diode characteristic while from the light current-voltage analysis our device showed solar cell features.The effect of silver (Ag) nanoparticles on PCDTBT organic solar cells were investigated. In this context, the inverted and conventional type organic solar cells were produced and the photovoltaic parameters of these solar cells were determined. As a result of the analysis, it was determined that Ag nanoparticles enhanced the efficiency of PCDTBT organic solar cells.The ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM/TiOx/Al organic solar cell structure was produced to determined the effect  of TiOx as a hole blocking layer on PCDTBT solar cells. Electrical and structural analysis were investigated. Consequently, it was understood that TiOx layer increased the stability of the organic solar cells.The electrical characterization of the ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM/TiOx/Al structure was determined as a result of current-voltage and capacitance-voltage analysis. As a result of the analysis, the negative capacitance was observed on this organic solar cell. The UV-visible conductivity of the PCDTBT:PCBM films that were grown on ITO coated glass were measured and optical bandgap values were calculated.The organic solar cells in the form of ITO/PEDOT:PSS/PCPDTTBTT:PCBM/Ca:Al were produced with using PCPDTBTT. The optimum annealing temperatures were determined for this structure and ISOS-L1/ISOS-D3 stability and degradation tests were applied. As a result of the analysis, it was determined that the organic solar cells annealed at 80 ◦C have the best efficiency and stability.Finally, the effect of gold (Au) nanorods on PCPDTTBTT organic solar cells were investigated. The different concentration of Au nanorods were doped in PEDOT:PSS layer. As a result of the analysis, the photovoltaic parameters of this organic solar cells were determined. So as to determine the effect of Au nanorods on the stability of PCPDTTBTT organic solar cells, the variation of solar cell parameters depending on time were investigated. Consequently it was understood that, Au nanorods enhanced the stability of the PCPDTTBTT organic solar cells.