Fotovoltaik uygulamalar için yeni ftalosiyanin türevleri
New phthalocyanine derivatives for photovoltaic applications
Yazar: TUNCAY İNCE
Danışman: DOÇ. DR. MİNE İNCE OCAKOĞLU
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Ftalosiyaninler, 4 izoindol ünitesinin birbirine azot atomları ile mezo pozisyonundan bağlandığı, 18 π-elektron sistemine sahip, elektronca zengin aromatik düzlemsel makro halkalardır. Halka içinde π-elektronlarının delokalizasyonu, bu moleküllerin ışık absorblama kapasitelerini arttırırken, moleküller arası güçlü π-π etkileşimlerinin sonucu olarak ortaya çıkan kümeleşme (agregasyon), ışık absorblanma sonucu sahip olunan enerjinin ışımasız geçişler ile kaybedilmesine ve etkili elektron/enerji transferinin düşmesine sebep olur. 2012 yılına kadar yapılan bilimsel çalışmalar ftalosiyaninlerin ışık absorblama kapasitesinin arttırılması üzerine olmuştur. Farklı substitüentlerin ftalosiyanin halkasına bağlanması ile boya duyarlı güneş hücrelerinin verimleri %3'e yükseltilmiştir. 2013 yılında ftalosiyanin halkasına, agregasyonu önleyen hacimli grupların bağlanması ile boya duyarlı güneş hücrelerinin verimi % 6.49 'a kadar çıkarılmıştır. Öte yandan, ftalosiyaninler etkin ışık absorblama kapasitelerinden dolayı yığın hetero-eklemli güneş hücreleri için de dikkat çekici moleküllerdir. Bugüne kadar birçok ftalosiyanin türevi yığın hetero-eklemli güneş hücrelerinde kullanılmasına rağmen, bu çalışmalarda güneş hücrelerinin verimleri %2'nin üzerine çıkamamıştır. Bu durum ftalosiyaninlerin güneş hücreleri uygulamalarını etkileyen en önemli parametrelerin ışık absorblama kapasitesi ile agregasyon özelliği olduğunu ve bu iki parametrenin optimizasyonu ile ftalosiyaninlerin güneş hücrelerindeki veriminin daha da yükseltilebileceğini göstermektedir. Bu doktora tez çalışmasında, yeni ftalosiyanin türevleri sentezlenerek, fotofiziksel özellikleri araştırılıp, karakterizasyonları yapılmıştır. Sentezlenen yeni ftalosiyanin türevleri hem boya duyarlı güneş hücrelerinde hem de yığın hetero-eklemli güneş hücrelerinde kullanılarak güneş hücrelerindeki performansları test edilmiştir. Asimetrik ftalosiyaninler periferal konumda altı donör grup olarak aromatik tiyol ve bir akseptör grup olarak karboksilik asit grubu içermektedir. Ayrıca aromatik tiyol grupları içeren simetrik ftalosiyanin türevleri sentezlenip yığın hetero-eklemli güneş hücrelerinde kullanılmıştır. Sentezlenen çinko ftalosiyaninler boya duyarlı güneş hücreleri ve yığın hetero-eklemli güneş hücrelerinde fotosensör olarak kullanılmış ve güneş hücresi performansları belirlenmiştir.

Abstract:
Phthalocyanines are macroheterocyclic compounds constituted by four isoindole units linked by nitrogen atoms at the meso position, planar 18 π -electron aromatic compounds. A considerable large π -delocalized surface gives rise to the strong light absorption capacity. However, the strong intermolecular π-π interactions of molecules produces higher aggregation which limits the effective electron or energy transfer inorganic solar cell applications. Indeed, the aggregation of molecules causes to be lost energy by non-radiative decay processes. Untill 2012, scientific efforts are directed towards increasing the light harvesting capacity of phthalocyanines and phthalocyanine-based dye-sensitized solar cells have reached efficiency values of 3% by connecting different substituents the macrocycle. In 2013, dye-sensitized solar cell efficiency was raised 6.49% by employing bulky substituents which completely suppresses macrocycle aggregation. On the other hand, they are remarkable molecules for bulk heterojunction solar cells because of their efficient light absorption capacity. Although several phthalocyanine derivatives have been used in bulk heterojunction solar cells, the power conversion efficiency cannot rise above 2% up to now. This result revealed that the insufficient light harvesting ability and aggregation are the most important parameters in determining the performance of solar cells and power conversion efficiency can be increase by optimizing these two parameters. In this study, Synthesized novel phthalocyanine derivatives were synthesized and their photovoltaic performance were tested in both dye sensitized and bulk heterojunction solar cells. For dye sensitized solar cells, novel phthalocyanine derivatives bearing aromatic thiol units in order to increase light harvesting ability of phthalocyanine and a carboxylic acid were synthesized and tested. Moreover, aromatic thiol substituted symmetric phthalocyanine derivatives were synthesized and used in bulk heterojunction solar cells. These synthesized zinc phthalocyanines used as the photosensor in dye-sensitized solar cells and bulk heterojunction solar cells performance determined.