Püskürtme tekniği ile tantalyum katkılı titanyum dioksit nanoparçacıkların sentezi ve elektron taşıyıcı tabakası olarak perovskit güneş hücreleri uygulamaları
Synthesis of tantalium-doped titanium dioxide nanoparticles by spray pyrolysis technique and perovskite solar cells applications as electron transport layer
Yazar: AYŞE CULU
Danışman: PROF. DR. SAVAŞ SÖNMEZOĞLU
Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde artan nüfusla birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyaç artmaktadır. Sonsuz bir enerji kaynağı olan güneş enerjisi, fotovoltaik güneş hücreleri yardımıyla kolaylıkla elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir. Fotovoltaik güneş hücreleri içerisinde ise son yıllarda perovskit güneş hücreleri gösterdikleri performansla ilgi odağı olmuştur. Perovskit güneş hücrelerinde verimliliği ve kararlılığı etkileyen en önemli faktörlerden biri elektron taşıma katmanı (ETL)'dır. Bununla birlikte, perovskit güneş hücrelerinin geleneksel ETL'leri, düşük iletkenlik ve yüksek tuzak durumu yoğunluğundan muzdariptir.
Bu tez çalışmasında; püskürtme tekniği ile sentezlenen tantalyum katkılı TiO2 nanopartiküllerini ilk kez düzlemsel perovskit güneş pillerinde kompakt bir ETL olarak kullandık ve 19,8% verimliliğe sahip bir perovskite güneş hücresi elde ettik. Ayrıca, bu malzemenin fiziksel ve elektriksel özellikleri SEM, AFM, UV, PL ve I-V karakteristikleri ile analiz edilmiştir. Deneysel sonuçlar, bir dizi optimizasyondan sonra en ideal tantalyum-katkı konsantrasyonunun 3% olduğunu gösterdi. Tantalyum katkısından sonra düz bant potansiyelinde pozitif bir kayma ve artan iletkenlik ile birlikte tuzak durum yoğunluğunun azalması, perovskit filmden TiO2 kompakt tabakasına fotojenere elektron enjeksiyonunu ve yük ekstraksiyonunu etkin bir şekilde kolaylaştırdı ve buna bağlı olarak fotovoltaik ve kararlılık performansında iyileşmeye yol açtı. Bu tez çalışması, Ta: TiO2 nanopartiküllerinin, perovskit güneş hücrelerinin üstün ETL'leri olarak pratikte büyük-ölçekli üretilebilmesi için umut vaat ettiğini gösterdi.

Abstract:
Nowadays, renewable energy sources are needed more with increasing population rate. Solar energy that is infinite energy resource can be easily converted into electrical energy with photovoltaic solar cells. Among photovoltaic solar cells, perovskite solar cells have become the center of attention with their performances in recent years. One of the most important factors affecting efficiency and stability in perovskite solar cells is the electron transport layer (ETL). However, the traditional ETLs of perovskite solar cells suffer from low conductivity and high trap state density.

In this thesis study; we exploited tantalium-doped TiO2 nanoparticles, synthesized by spray pyrolisis technique, as a compact ETL in planar perovskite solar cells for the first time, and achieved an efficient cell with a efficiency of 19.8%. In addition, the physical and electrical properties of this material were analyzed with SEM, AFM, UV-vis, PL and I-V characteristics. The experimental results showed that the optimum tantalium-dopant concentration was 3% after a series of optimization. A positive shift in the flat-band potential and increased conductivity as well as reduction of the trap density of states after tantalium doping efficiently facilitated photogenerated electron injection and charge extraction from the perovskite film to the TiO2 compact layer, leading to the improvement in the photovoltaic and stability performances. This thesis study demonstrated that Ta:TiO2 nanoparticles show promise for being able to be practically produced on a large-scale as superior ETLs of perovskite solar cells.