Yarıiletken perovskit kuantum noktaların sentezi ve güneş hücresi uygulamaları
Synthesis of semiconductor perovskite quantum dots and their application in solar cell
Yazar: MUSTAFA ALPEREN LATİFOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. MUSA ÇADIRCI
Düzce Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda yüksek verimli düşük maliyetli güneş hücrelerini elde edebilmek için birçok farklı malzeme geliştirildi. Geliştirilen bu malzemeler arasında perovskit kuantum nokta (PQN) nanomalzemeleri, sahip olduğu benzersiz elektriksel ve optik özellikler sayesinde öne çıkmaktadır. İstenilen aralıkta ayarlanabilir dalga boyu, çevresel etkenlere karşı göstermiş olduğu kararlılık, uzun yük difüzyon mesafesi ve yüksek fotolüminesans kuantum verimliliği gibi durumlar bu malzemelerin en belirgin özellikleridir. PQN malzemeler güneş hücrelerinin yanı sıra tıbbi görüntüleme, lazer teknolojileri, LED teknolojileri ve sensör teknolojileri gibi alanlarda yapılan çalışmalarda da tercih edilmektedir. Bu çalışmada CsPbBr1,5I1,5 PQN nanomalzemeler sentezlenerek optik ve elektronik özellikleri incelendi. Ayrıca CsPbBr1,5I1,5 PQN'ler çinko ile katkılanarak optik ve elektronik yapılarının çevresel şartlara karşı dayanıklılığı arttırıldı. Ek olarak CsPbBr3 PQN tabanlı perovskit güneş hücreleri SCAPS 1D programı kullanılarak simüle edildi. Yapılan teorik çalışmada Emici katman, Elektron İletim Katmanı (ETL) ve Boşluk İletim Katmanının (HTL) farklı koşulları için açık devre gerilimi (VOC), kısa devre akım yoğunluğu (JSC), dolum faktörü (FF) ve hücre verimliliği (ƞ) parametreleri incelendi. Emici katman için CsPbBr3 PQN tabanlı perovskit, HTL için Cu2O, CuSCN ve Spiro-OMeTAD ve ETL için TiO2, SnO2 ve ZnO malzemeleri kullanıldı. ETL, HTL ve emici katmanın değişken parametrelerinin sergilemiş olduğu VOC, JSC, FF ve ƞ parametrelerine ait sonuçların dışında ortam sıcaklığının (K) ve metal kontakların (Altın, Nikel, Gümüş ve Alüminyum) fotovoltaik parametreler üzerindeki etkisi de incelendi. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda kuantum nokta tabanlı perovskit güneş hücreleri için uygun malzeme seçimi ve ortam şartları VOC, JSC, FF ve ƞ parametrelerine etkisi gözlemlendi. Bu çalışmadaki bulgular, yüksek performanslı inorganik PQN güneş hücrelerini üretmek için etkili bir yol göstermektedir.

Abstract:
In recent years, many different materials have been developed to obtain high-efficiency low-cost solar cells. Among these developed materials, perovskite quantum dot nanomaterials are emerging due to their unique electrical and optical properties. The most prominent features of these materials are tunable wavelength in the desired range, stability against environmental factors, long charge diffusion length and high photoluminescence quantum efficiency. Perovskite quantum dot materials are also preferred in studies in areas such as medical imaging, laser technologies, LED technologies and sensor technologies, as well as solar cells. In this study, CsPbBr1,5I1,5 perovskite quantum dot nanomaterial was synthesized, and its electronic and optical properties were examined. Further, CsPbBr1,5I1,5 PQNs were doped with zinc to increase the durability of their optical and electronic structures against environmental conditions.  In addition, CsPbBr3 quantum dot-based perovskite solar cells were simulated using the SCAPS 1D program. In the study, open circuit voltage (VOC), short-circuit current density (JSC), filling factor (FF) and cell efficiency (ƞ) parameters for different conditions of active layer, electron transfer layer (ETL) and hole transfer layer (HTL) studied. CsPbBr3 quantum dot-based perovskite materials were used for the absorber layer, Cu2O, CuSCN and Spiro-MeOTAD for HTL, and TiO2, SnO2 and ZnO for ETL. In addition, the effects of ambient temperature and metal contacts (Gold, Nickel, Silver and Aluminum) on photovoltaic parameters were also investigated. The effects of suitable material selection and ambient conditions on VOC, JSC, FF and ƞ parameters were observed for quantum dot-based perovskite solar cells. The findings in this study demonstrate an effective performance to fabricate high-performance inorganic perovskite quantum dot solar cells.