Organik boya ile duyarlaştırılmış güneş hücresi performanslarının elektrokimyasal empedans spektroskopisi yöntemi ile incelenmesi
Performance investigation of organic dye sensitezed solar cell by using electrochemi̇cal impedans spectroscopy
Yazar: BANU AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. CEYLAN ZAFER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, iyonik sıvı kullanarak boya duyarlaştırıcılı güneş hücrelerinin elektrokimyasal karakteristiği çalışıldı ve solvent içeren elektrolitli pille karşılaştırma yapıldı. Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS), boya duyarlaştırıcılı güneş hücreleri için difüzyon parametreleri, kimyasal kapasitans ve rekombinasyon direnci gibi önemli pil parametrelerini tanımlamada faydalı bir tekniktir. Solventlerin uçuculuğu uzun dönem alet performansı için önemli bir sorun oluşturmaktadır. Katı veya uçucu olamayan faz elektrolit organik solvent içeren elektrolitler için alternatiftir. Oda Sıcaklığı İyonik Sıvıları (RTIL) yüksek termal kararlığı ve yüksek iyonik iletkenliğe sahiptirler. Bu özellikleri boya duyarlaştırıcılı güneş pili uygulamaları için iyonik sıvıları avantajlı kılar.
Öncelikle, ölçümler için 0.6 M Iodide iyonik sıvı, 0.1 M LiI (Lithium iodide), 0.05 M I2 ve 0.5 M TBP (4-tert-butylpyridine) solvent elektrolit olarak MPN (3-methoxypropionitrile) kullanılarak hücreler hazırlanmıştır. Oda Sıcaklığı İyonik Sıvılar (RTIL) AMEII, AMII ve referans olarak PMII ile AEII kullanıldı. Difüzyon parametrelerini tanımlamak için, iki elektrotlu sandöviç hücresi hazırlandı. Daha sonar boya duyarlaştırıcılı güneş hücrelerinin elektron ömrü ve iyonik sıvıların difüzyon katsayısı karakterize edildi. Deneysel verilerimizle Modellememizin verilerini uyarlamak için empedans analiz sistemi kullanılmıştır. Uygun modelle empedans eğrileri uyarlanmıştır. Çalışmada kullandığımız modelleme Warburg difüzyon parametreleri ve çift tabaka kapasitansı içermektedir. 
Sonuç olarak, referans olarak kullanılan PMII 2.0572E-7 cm2s-1 ve AEII 1.7538E-7 cm2s-1 difüzyon katsayısına sahipken AMEII iyonik sıvısı 0.8621E-7 cm2s-1'tir. Empedans eğrilerinin fit edilmesiyle elde edilen difüzyon katsayıları benzer sonuçlar vermektedir. Difüzyon parametrelerinden olan difüzyon direnci Rd incelendiğinde AMEII referans elektrolit olan PMII'ya benzer değerlere ulaşmaktadır ve bu sonuçlar AMEII'ün elektrolit olarak iyonik sıvı içeren boya duyarlaştırıcılı güneş hücreleri için alternatif olabileceğini göstermiştir. 
Tezin son kısmında ise, farklı sıcaklıklardaki DSSC'lerin empedans analizleri incelendi. Sıcaklığın artışına bağlı olarak elektron yoğunluğunun artmasına bağlı olarak rekombinasyon pillerde baskın hale gelmektedir.  DSSC'lerin pil verimini geliştirmede çok önemli kontrol mekanizması olan rekombinasyon mekanizmasının kontrolüyle sağlandığı gözlemlenmiştir. DSSC verimini geliştirmek için rekombinasyon mekanizmasının kontrol edilmesinin büyük önem taşıdığı gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, farklı sıcaklıklarda DSSC'ler için çok önemli parametreler olan difüzyon katsayısı, elektron ömrü, kimyasal kapasitans, yük-transfer direnci EIS kullanılarak hesaplanmıştır.

Abstract:
In this work, we studied the electrochemical characteristics of dye-sensitized solar cells using an ionic liquid as the electrolyte and we compared them with the response of a solvent –containing electrolyte cell. Impedance spectroscopy is useful technique for determining important cell parameters such as recombination resistance, chemical capacitance and diffusion parameters for dye-sensitized solar cell. Volatility of the solvents employed is important issue for long term device performance. Solid or nonvolatility phase electrolyte is alternative for organic solvent containing electrolyte. Room temperature ionic liquids (RTIL's) have high ionic conductivity and high thermal stability. These properties make them useful for dye sensitized solar cells applications. 
Initially, for the measurements, our cells have been prepared with 0.6 M Iodide ionic liquid, 0.1 M LiI (Lithium iodide), 0.05 M I2 and 0.5 M TBP (4-tert-butylpyridine) as an electrolyte solvent MPN (3-methoxypropionitrile). Our room temperature ionic liquids were AMEII, AEII, AMII and PMII has been used as a reference. For determining diffusion parameters, two electrode sandwich cells  have been prepared. Subsequently diffusion coefficients of ionic liquids and electron lifetime of dye-sensitized solar cell have been characterized. For fitting experimental curves with our model's curves impedance analyzer has been used. The impedance curves have been fitted with suitable models. Our models include Warburg diffusion parameters and double layer capacitance. 
Consequently, reference electrolyte AEII and PMII gave a diffusion coefficiency with a rate of 1.7538E-7 cm2s-1 and 2.0572E-7 cm2s-1. This result showed that AMEII could be an alternative material for dye-sensitized solar cells containing ionic liquid as an electrolyte.  
In the last part of thesis, impedance analyses of DSSCs at different temperatures have been demonstrated. With increasing temperature, electron density is increasing though recombination become dominate for cells. It was observed that in order to increase the DSSC performance, the recombination mechanism must be controled. Finally at different temperature, parameters which are so important for DSSC performance, such as difusion coefficent, electron lifetime, chemical potential, charge trasnfer resistance have been calculated with EIS.