Organik güneş pili

Organik güneş pili veya organik güneş hücresi, Güneş'ten gelen ışığı aktif polimer tabakası ile absorbe eden ve doğrudan elektrik enerjisine çeviren bir cihazdır. İnorganik güneş hücrelerinden farklı olarak geniş yüzeylere kaplanabilmesi, düşük maliyetli olması ve kolay üretilebilmesinin yanı sıra organik kimyadaki gelişmelere paralel olarak daha farklı özellikler kazandırılabilir olması bu teknolojinin cazibelerindendir.[Walduf, C., Schilinsky, P., Hauch, J. & Brabec, C. J. Material and device concepts for organic photovoltaics: towards competitive efficiencies. Thin Solid Films 451–452, 503–507 (2004)] Aktif polimer tabakası güneşten gelen ışığı Absorbe edip elektron ve hol (boşluk) çiftleri (exciton) oluşturur. Yükler ayrıştıktan sonra elektronlar bir elektroda (katot), holler ise diğer elektroda (anot) doğru yol alırlar. Bu şekilde akım ve voltaj üretilir.

 Bütünleşik Organik Güneş Hücresi 

Şu ana kadar en yüksek güç çevrim verimini poli(3-hexylthiophene) (P3HT) yarı-iletken polimeri ve bir karbon-60 türevi olan [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester'in (PCBM) homojen karışım halinde yüzeye kaplandığı yöntemin sağladığı görülmüştür. Bu karışımda P3HT boşluk iletici (p-tipi), PCBM elektron iletici (n-tipi) olmak üzere, ilk paragrafta belirtildiği gibi, yük iletimini apolar bir şekilde sağlamaktadır. Araştırmalara göre, P3HT/PCBM kütlesel oranının 1/1 olmasının diğer oranlara göre, daha dengeli yük transferi sağladığı uçuş zamanı (Time-of-Flight) testleriyle belirlenmiştir.[Shrotriya, V., Ouyang, J., Tseng, R. J., Li, G. & Yang, Y. Absorption spectra modification in poly(3-hexylthiophene):methanofullerene blend thin films. Chem. Phys. Lett. 411, 138–143 (2005)] Literatürde bu tip aktif katman yapısına sahip güneş hücrelerine "bulk heterojunction" adı verilmektedir ve P3HT:PCBM ikilisi dışında P3HT: tri-metalik nitrat endohedral (Lu3N@C80),[Ross, R. B.; Cardona, C. M.; Guldi, D. M.; Sankaranarayanan, S. G.; Reese, M. O.; Kopidakis, N.; Peet, J.; Walker, B.; Bazan, G. C.; Van Keuren, E.; Holloway, B. C.; Drees, M. Nat. Mater. 2009, 8, 208)] poli (cyclopentadithiophene-benzothiadiazole) (PCPDTBT):PCBM[Mühlbacher, D.; Scharber, M.; Morana, M.; Zhu, Z. G.; Waller, D.; Gaudiana, R.; Brabec, C. J. AdV. Mater. 2006, 18, 2884)] gibi farklı polimer-carbon türevleri üzerinde çalışmalar sürmektedir. P3HT:PCBM tipi güneş hücreleri esnek yüzeylerde üretilebilir ve oldukça hafiftir. Rulodan ruloya üretim sistemleriyle ucuza mal edilebilir. Taşınabilir elektronik cihazları hareket halindeyken bile şarj edecek enerjiyi sağlayabilir. Bu tip organik güneş hücresi incelenirse esnek ve saydam ITO kaplı PET yüzey üzerine sırasıyla boşluk-taşıyıcı katman olarak bilinen PEDOT: PSS, aktif karışım P3HT:PCBM ve son olarak alüminyum kaplandığı ve bu şekilde güneş hücresinin üretiminin gerçekleştiği görülebilir. Güneş'ten gelen fotonlar sırasıyla PET, ITO ve PEDOT:PSS katmanlarından geçerek P3HT:PCBM filmine ulaşır ve burada sahip oldukları enerjiyi elektron-boşluk çiftleri olan exitonları oluşturmak için kullanırlar. Elektron-boşluk çiftleri birbirinden ITO ve aluminyum elektrodlarının iş fonksiyonu seviyeleri arasındaki farkın sebep olduğu elektrik alan etkisiyle ayrılır. Elektronlar alüminyum, delikler ise ITO elektroduna taşınır. Bu sayede devrede akımın oluşması sağlanır ve foton enerjisinin elektrik enerjisine dönüşümü tamamlanır.

P3HT:PCBM (bulk) güneş hücrelerinin diğer organik güneş hücrelerden daha yüksek verime sahip olmasının en büyük nedeni; p-tipi polimerin içinde (P3HT), n-tipi karbon nano parçacıkların (PCBM) homojen bir şekilde dağılmış olmaları sayesinde p-n arayüz alanının artmış olmasıdır. Bu sayede etkin yük ayrışım oranı artmakta, dolayısıyla hücrenin verimi artmaktadır. Organik güneş hücrelerinde verimi artırmak için böyle bir yapıya ihtiyaç duyulmasının nedeni, yüklerin difüzyon kapasitelerinin polimerlerde çok düşük olmasıdır. Bu nedenle, organik güneş hücreleri klasik yapılarda üretildikleri zaman (bkz. inorganik güneş hücreleri) parçacıklar arayüze ulaşamadan elektriksel yüklerini kaybetmektedirler (rekombinasyon). Ancak  P3HT:PCBM (bulk) yapısında arayüz alanının büyük olması nedeniyle parçacıklar elektriksel yüklerini kaybetmeden ayrışırlar ve güvenli bir şekilde iletilmeleri gereken elektrotlara iletilirler.[Yu, G.; Heeger, A. J. J. Appl. Phys. 1995, 78, 4510][Halls, J. J. M.; Walsh, C. A.; Greenham, N. C.; Marseglia, E. A.; Friend, R. H.; Moratti, S. C.; Holmes, A. B. Nature 1995, 376, 498]

Bir enerji dönüşüm cihazında verimlilik çok önemlidir. Her şeyden önce uyarım (eksitasyon) oluşturmakta kullanılan fotonları aktif tabakanın mümkün olduğu kadar soğurması gerekmektedir. Aktif tabakanın kalınlığı yük taşıyıcı hareketliliğiyle (mobilite) ters orantılıdır. Birçok polimerin aktif tabaka kalınlığı kısıtlanmışsa da tipik olarak birkaç yüz nanometre mertebesinde olabilir. Dolayısıyla güneş spektrumluyla aktif katmanın soğurma spektrumu arasındaki uyum ve 100–200 nm lik ince filmlerdeki solar radyasyon soğurmasının maksimize edilmesi önemli bir konudur. Bu açıdan düşündüğümüzde 2 ev un üstündeki bant aralıklı polimerler sadece görünür bölgedeki yeşil bölgeyi soğururlar. Örneğin, gelen güneş ışığının sadece küçük bir kısmının P3HT:PCBM filmi tarafından soğrulması sorununu halletmek için yaklaşık 100 nm kalınlığındaki filmin kalınlığı artırılmıştır. Bu yol soğurulan foton miktarının artmasını sağlamış, fakat hücrenin seri direncini de arttırmıştır, bu yüzden pek de cazip bir çözüm değildir. Bu konuda en etkili çözüm yöntemi, aktif polimerin moleküler yapısını daha düzenli hale getirmektir. Çünkü düzenli moleküler yapıya sahip malzemelerin ışığı soğurma kapasitesi artar. Polimerlerin moleküler yapısı, katı veya sıvı halde iken yapılan ısıl işlemler sayesinde daha düzenli hale getirilebilir.[Li, G.; Shrotriya, V.; Yao, Y.; Yang, Y. J. Appl. Phys. 2005, 98, 043704.]

 Mikroyapı Optimizasyon Teknikleri 

Bütünleşik güneş hücrelerinden daha yüksek verim elde edebilmek için aktif katmanda bulunan p-n arayüz alanının arttırılması gerektiği belirtilmiştir. Arayüz alanı arttırımı ancak aktif katman mikroyapısının kontrollü bir şekilde düzenlenmesi ile mümkündür. Literatürde, rapor edilen optimizasyon teknikleri; Katılaştırma sonrası ısıl işlemi, çözücü buharıyla yapılan ısıl işlem ve organik madde ilavesi olarak sınıflandırılabilir.[R. Po, M. Maggini, and N. Camaioni, Polymer Solar Cells: Recent Approaches and Achievements, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 695–706] Bu bölümde, bahsi geçen aşamalar sonucunda elde edilen mikroyapılar ve bunların hücre performansı üzerindeki etkileri anlatılacaktır.

 Katı Hal Isıl İşlemi 

P3HT:PCBM ikilisinin bütünleşik (GP)ler hakkında yapılan çalışmalarda sıkça kullanılmasının başlıca sebebi, katı hal ısıl işleminin aktif katman mikroyapısı üzerinde çok etkili ve pozitif sonuçlar vermiş olmasıdır.[Camaioni, N.; Ridolfi, G.; Casalbore-Miceli, G.; Possamai, G.;
Maggini, M. AdV. Mater. 2002, 14, 1735] Yapılan ilk çalışmalar ısıl işlem parametrelerini optimize etmek yönündeydi. Bu çalışmalarda aktif katman, 75-230 °C derece arası sıcaklıklara, 10 ile 40 dakika arasında değişen sürelerde maruz bırakıldı. Sonuçta en verimli sonucun 110-150 °C sıcaklık aralığında 10-20 dakika  zaman zarfında uygulanan ısıl işlemlerden elde edildiği belirlendi.[Padinger, F.; Rittberger, R. S.; Sariciftci, N. S. AdV. Funct. Mater. 2003, 13, 85.][Li, G.; Shrotriya, V.; Yao, Y.; Yang, Y. J. High-efficiency solution processable polymer photovoltaic cells by self-organization of polymer blends Appl. Phys. 2005, 98, 043704.]

Konu hakkında yapılan önemli çalışmalardan birinde, İndium tin oksitin üzerine 25 nm'lik polyethylenedioxythiophene/polystyrenesulphonate (PEDOT/PSS) katmanı ve 220 nm'lik (1/1) kütle oranına sahip P3HT:PCBM aktif katman spin kaplama yöntemiyle kaplanmıştır (Şekil 3). Ardından bu yapı 110 °C sıcaklıkta 10 dakika boyunca ısıl işleme tabi tutulmuştur. Isıl işlem sonrasında, işlem uygulanmamış hücrelerle  karşılaştırmalı olarak yapılan testlerin sonuçları ise şöyledir;
 Açık devre akım yoğunluğunun 9.9'dan 10.6 mA cm-2'ye,
 Dolum faktörünün (DF) yüzde 60.3'ten 67.4'e,
 Enerji dönüşüm veriminin yüzde 3.5'dan 4.4'e çıktığı rapor edilmiştir.

Elde edilen dolum faktörü üretilegelmiş güneş hücreleri içerisinde rapor edilen en yüksek değerlerden biridir. Uygulanan ısıl işlemin, yük kilitleyici iç yapı defolarını ve mikro çatlakları yok ettiği için DF'yi yükseltmekle kalmayıp, malzemenin paralel (shunt) direncinide arttırdığı(180-640 MΩ) düşünülmektedir. DF'yi arttıran bir başka faktörde aktif katman yüzeyinin ısıl işlem nedeniyle daha pürüzsüz bir hal alması ve böylece kontak direncinin düşmesidir. Bunun yanı sıra, aktif katmanın, (450-600 nm) dalga boyundaki ışığı %95 soğurabilmesi için, kalınlığının 240 nm olması gerektiği teorik olarak hesaplanmıştır.[Coakley, K. M. & McGehee, M. D. Conjugated polymer photovoltaic cells. Chem. Mater. 16, 4533–4542 (2004).] Aktif katmanın bu kalınlıklarda defosuz ve düzgün bir moleküler yapıyla üretilebilmesi, bu sayede düşük bir seri dirence sahip olması ısıl işlemle mümkün kılınmıştır.

Bir başka araştırmada da, ısıl işlemin P3HT:PCBM iç yapısını nasıl değiştirdiği aktarılan elektron mikroskopu (TEM) ve elektron kırınım spektografisi (EDS) kullanılarak incelenmiştir. İnceleme sonucunda, ısıl işlem sayesinde hem P3HT hem de PCBM'in moleküler düzenlerinin arttığı belirtilmiştir. Buna ek olarak, ipliksi P3HT yapısının uzadığı ve PCBM'in küresel biçimde çekirdeklendiği bu sayede p-n arayüz alanının arttığı gözlemlenmiştir (Şekil 4). İç yapıdaki bu gelişmelerin artan hücre veriminde büyük pay sahip olduğu kabul gören bir teoridir.[X. Yang, J. Loos, S. C. Veenstra, W. J. H. Verhees, M. M. Wienk, J. M. Kroon, M. A. J. Michels and R. A. J. Janssen, Nanoscale Morphology of High-Performance Polymer Solar Cells, Nano Lett., 2005, 5, 579.]

 Çözücü Tavlaması (Solvent Annealing) 

Aktif katman çözeltisi spin kaplama esnasında hızlı soğumaya maruz kalırsa P3HT moleküllerinin ağ yapısı ve şekli bozulur. Oluşan bu düzensizlik P3HT moleküllerinin daha düzenli hale gelmelerine neden olabilecek bir itici güce sebebiyet verir. Eğer katılaşma periyodu uzatılabilirse, P3HT moleküler yapısı bu itici güç sayesinde spontane olarak kendini düzenler. Bu işlem sonucunda moleküler yapısı düzenlenen P3HT polimerinin ışığı soğurma kapasitesi ve mobilitesi  artarken seri direnci düşer ki bütün bunlar hücre verimini arttıran faktörlerdir.[Li, G.; Shrotriya, V.; Huang, J. S.; Yao, Y.; Moriarty, T.; Emery,
K.; Yang, Y. Nat. Mater. 2005, 4, 864.][Mihailetchi, V. D.; Xie, H. X.; de Boer, B.; Popescu, L. M.; Hummelen, J. C.; Blom, P. W. M.; Koster, L. J. A. Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 012107.][Zhao, Y.; Xie, Z. Y.; Qu, Y.; Geng, Y. H.; Wang, L. X. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 043504.]

Konu ile ilgili yapılan bir araştırmada, farklı aktif katman katılaştırma sürelerinde elde edilen hücre performansları karşılaştırılmıştır. Buna göre katılaştırma süresi 20 saniyeden 20 dakikaya çıkarıldığında;
 Kısa devre akım yoğunluğunun, 4,5 'dan 9,9 mA cm−2'ye,
 Dolum faktörünün, yüzde 52'den 60.3'e çıktığı,
 Aktif katman seri direncinin ise 19,8'den 2,4 Ωcm2'ye düştüğü rapor edilmiştir.
Araştırmacılar, 2,4 Ωcm2 gibi düşük bir aktif katman seri direncinin, çözücü tavlaması uygulanmamış bir hücrede ancak 48-50 nm kalınlığındaki bir aktif katmanda görülebileceğini belirtmişlerdir.[Li, G., Shrotriya, V., Yao, Y. & Yang, Y. Investigation of annealing effects and film thickness dependence of polymer solar cells based on poly(3-hexylthiophene). J. Appl. Phys. 98, 043704 (2005).] Bu örnek, katılaştırma öncesi ısıl işlemin, aktif katman mikroyapısını düzenleyerek mobiliteyi arttırdığının kanıtıdır.

Ayrıca, artan moleküler düzenin kuantum veriminide olumlu etkilediği belirtilmiştir. Araştırmacılar, hızlı katılaştırılan aktif katmanların 350 nm dalga boyunda en fazla yüzde 19 kuantum verimi ile çalıştığını ancak aynı hücre çözücü tavlamasına tabi tutulduğu zaman 500 nm dalga boyunda yüzde 63 kuantum verimi ile çalıştığını rapor etmişlerdir.

Son zamanlarda konu ilgili yapılan çalışmalara göre, çözücü tavlaması uygulanmış hücrelere üretim aşamasının ardından ısıl işlem uygulanırsa çok daha iyi hücre performansları elde etmek mümkündür. Çünkü, bu ısıl işlem aktif katmanın mikroyapısını düzeltmekle kalmayıp katot-yarı iletken arayüzünü de düzenlemekte ve bu sayede kontak direncini de düşürerek çok daha yüksek hücre verimi sağlamaktadır.[Ma, W.; Yang, C. Y.; Gong, X.; Lee, K.; Heeger, A. J. AdV. Funct. Mater. 2005, 15, 1617.]

 Organik Madde İlavesi 
Aktif katman mikroyapısı hiçbir ısıl işlem ya da tavlamaya gerek duyulmadan çözeltiye eklenecek organik maddeler sayesinde de düzenlenebilir. Bu işlem özellikle mikroyapı ısıl işlemle düzenlenemediği veya karıştırılan p ve n tipi maddeler birbiri içerisinde yeteri kadar çözünmediği zaman etkilidir. Eklenen maddeler genelde, aktif katman ince film şeklinde kaplanırken, çözelti içerisinde topaklayıcı olarak görev alarak daha düzenli ve fazla p-n arayüzü oluşmasını sağlar (Şekil 5). Örneğin, PCPDTBT:PC70BM ikilisi ile oluşturulan çözeltiye, kütlesel olarak  %2-3 (1,8)-octanedithiol ilave edilerek hazırlanan aktif katmanın, hücre verimini yüzde 2,8'den 5,5'e çıkardığı rapor edilmiştir.[Peet, J.; Kim, J. Y.; Coates, N. E.; Ma, W. L.; Moses, D.; Heeger, A. J.; Bazan, G. C. Nat. Mater. 2007, 6, 497]

Ayrıca, katı polimerik maddelerde çözeltilerin içinde çekirdekleyici ve kristal yapı düzenleyici olarak etkili olarak kullanılabilir. Örneğin, P3HT:PCBM çözeltisine, kütlesel olarak %1,5-3 thienothiophene-pentathiophene monomerlerinin oluşturduğu, ko-polimerler ilave edilerek hazırlanan aktif katmanın moleküler düzeninin arttığı ve bu katmanla oluşturulan hücrenin daha yüksek performans gösterdiği rapor edilmiştir.[Bechara, R. Leclerc, N. Le´veˆque, P. Richard, F. Heiser, T. Hadziioannou, G. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 013306]

 Birleşik (Tandem) Organik Güneş Hücresi 
Hücre verimini arttırmanın bir başka yolu da ışığı soğurma karakteri farklı iki farklı aktif katmanın seri bağlanmasıyla elde edilen hücre yapısıdır. Bu yapıda farklı dalga boylarındaki ışığın soğurulması ve hücre veriminin artması sağlanır. Bu tip hücrelere birleşik (tandem) güneş hücresi adı verilir. Literatürde, inorganik aktif katmanın üzerine organik katman kaplanmasıyla oluşturulan hibrit tandem hücreler mevcuttur. Ancak tamamen organik bir tandem güneş hücresi üretildiğinde, en yüksek hücre performansını farklı bant boşluğuna sahip iki değişik bütünleşik aktif katmanın seri olarak bağlanmasıyla elde edilen hücrelerin verdiği görülmüştür.

Konuyla ilgili yapılan bir araştırmada, PEDOT:PSS kaplı saydam anot (ITO)'nun üzerine 110 nm kalınlığında PCPDTBT:PCBM aktif katman spin kaplama yöntemiyle kaplanmıştır. Bu yapının üzerine, elektron ve boşluk transferini kolaylaştırmak ve aktif katman yapılarının bozulmadan dengeli bir şekilde bağlanması için  sol-gel yöntemiyle TiO katmanı kaplanmıştır. Ardından, arayüz kalitesini arttırarak yük transferini kolaylaştıran PEDOT:PSS katmanı tekrar kaplanmış ve bunun üzerine 220 nm kalınlığında P3HT:PCBM aktif katmanı kaplanmıştır. Son olarak katotla aktif katman arasındaki yük transferini kolaylaştırmak için tekrar TiO kaplanmış ve katot bu yapının üzerine kaplanarak devre tamamlanmıştır. (şekil 6 Genelde, tandem güneş hücrelerinde yüksek bant aralığına sahip ince aktif katman saydam anotun üzerine kaplanır ardından düşük bant aralığına sahip daha kalın  bir aktif katman yapının üzerine eklenirdi. Ancak bu çalışmada düşük bant aralıklı ince PCPDTBT:PCBM'in üzerine yüksek bant aralıklı kalın P3HT:PCBM eklenerek tam tersi yapılmıştır. Bunun nedeni, 130 nm'den kalın PCPDTBT:PCBM aktif katmanının mikroyapı optimizasyonu çok zor olduğu için DF'sinin yani hücre veriminin düşmesidir. Bununla birlikte, 200 nm'den kalın P3HT:PCBM katmanı çok daha yüksek hücre verimi göstermektedir. Tüm bu faktörler araştırmacıların klasik yapıya göre hücreleri ters bağlamalarına neden olmuştur. Bahsedilen hücre yapısından elde edilen performans değerleri;
 Kısa devre akım yoğunluğu 7,8 mA/cm²,
 Açık devre voltajı 1,24V,
 Dolum faktörü (DF) yüzde 67,
 Enerji dönüşüm faktörü yüzde 6,5 olarak rapor edilmiştir.[J. Y. Kim, K. Lee, N. E. Coates, D.Moses, T.Nguyen, M. Dante, A.J. Heeger, (2007), Efficient Tandem Polymer Solar Cells, Science, vol. 317, pg. 222-225.]

Bir organik güneş hücresi için yüksek sayılabilecek bu sonuçların arkasındaki neden hücrelerin ışık soğurma eğrisi incelendiği zaman açıkça anlaşılabilmektedir. Görüldüğü gibi, P3HT ve PCPDTBT'in ışık soğurma karakterleri birbirini destekler niteliktedir, PCDPDTBT kızılötesine yakın(700-850 nm) ve ultra viole bölgesinde ışığı soğururken P3HT görünür ışık bölgesinde yüksek bir verimle soğurmaktadır (şekil 7). Bu nedenle, bu iki aktif katmanla oluşturulan tandem hücreler, birbirlerinin eksiklerini tamamladıkları için, çok geniş bir spektrumda ışık soğurma kapasitesine sahiptir (Şekil 8). Artan ışık soğurma spekturumu, pl verimini arttıran en önemli faktördür.

 Organik güneş hücrelerinde(fotovoltaik) Düşük Bant Aralığına Sahip Polimerler Kullanılması 

Bir başka yaklaşımda, küçük bant boşluğuna sahip malzemeler kullanarak daha düşük frekanslara sahip olan fotonlarında eksitasyon mekanizmasına katkıda bulunmasını sağlamaktır. Bu yüzden güneş spektrumuyla daha fazla çakışma sağlayabilen düşük bant aralığına sahip polimerler kullanan organik güneş hücreleri son yıllarda dikkatleri üstüne toplamıştır. Şekil 1'de Organik fotovoltaiklerde yaygın olarak kullanılan P3HT, MEH-PPV ile düşük bant aralıklı polimerin emme tayfı kıyaslanmıştır. Genel olarak düşük bant aralığına dayalı güneş hücreleri uzun dalga boylu fotonların yutulmasında düşük foto voltaj verilir. Çeşitli bant aralıklarda bir grup değişik polyfluorne kopolimerler sentezlenmişlerdir ve bu kopolimerlerin bazılarına dayalı güneş hücreleri 1 V luk etkileyici bir foto voltaj sergilemişlerdir.

620 nm den daha uzun dalga boylarını absorbe edebilen yani bant aralığı  2 ev tan daha düşük olan polimerler düşük bant aralığına sahip polimerlerdir. Polimer güneş hücreleri, iki elektrot arasındaki aktif bir tabaka yerleştirerek yapılır. Aktif tabaka genellikle, elektron vericisi ve elektron alıcısını bünyesinde barındıran kopolimerden oluşur. Kopolimerler fused ring adı verilen bir sistemle sentezlenir. Kopolimerlerin düşük bant aralığına sahip olmasının 3 nedeni vardır. Birincisi elektron verici ve alıcı birim arasındaki geliştirilmiş çift bağ sistemidir. Diğeri ise kopolimerin bant aralığının verici birimin HOMO'su alıcı birimin ise LUMO'su tarafından belirlenmesidir (şekil 3). Verici ve alıcı birimlerin bant aralığı eklentilerle değiştirilebilir. Örneğin verici birime thiophene ve pyrrole  eklenerek HOMO seviyesi yükseltilir, elektron alıcı gruba ise thiadiazole ve pyrazine eklenerek LUMO seviyesi düşürülür. Sonuncusu ise zincir içi yük transferi elektron ilgisiyledir. Verici birimin elektron ilgisinin alıcı birime göre düşük olduğu görülmüştür bu da yüklerin ayrışmasını sağlar. Bunlara ek olarak π-konjugasyonunun uzunluğu arttıkça  bant aralığını azaltır.

 Önemli Parametreler 

Kısa Devre Akımı (ISC), hücre üzerine uygulanan gerilim Va=0 V iken ölçülen akım, kısa devre akımıdır (Isc). Soğurulan fotonlardan kaynaklanan akım olan aydınlık akımına eşittir.

Kısa devre akımı, cihazın morfolojisine, yük taşıyıcıların ömrüne ve mobilitelerine önemli ölçüde bağlıdır. Bant aralığının düşürülmesi foton emilimini artırdığı  için en yüksek teorik kısa devre akımını artırır.

Açık Devre Gerilimi (VOC), güneş hücrelerinde mümkün olan en yüksek gerilim değeridir. Elektrotlar birbiriyle bağlanmadığı durumda düzenekten akım geçmez ve soğurulan fotonlardan  oluşan taşıyıcılar (elektron ve holler) güneş hücresi içerisinde bir gerilim farkı oluştururlar. Bu gerilim farkı açık devre voltajını oluşturur. Örneğin, güneş hücresindeki basit bir p-n birleşmesinde ışığın etkisiyle meydana gelen taşıyıcıların birikimi, p-n birleşmesinin (p-n junction) "n" tarafında elektron artışına ve "p" tarafında hol artışına sebep olur. Bu yük ayrılması birleşme bölgesinde bir elektrik alan oluşturur ve bu alan birleşmenin önceden  oluşan  boşalma bölgesindeki elektrik alanla zıt yönde olduğu için net elektrik alan azalır. Boşalma bölgesindeki elektrik alan, ileri eğilimli (forward bias) difüzyon akımının geçişini engellediğinden, bu azalma difüzyon akımını artırır ve yeni bir denge durumu oluşur. Açık devre düzeneklerde, ışıkla oluşan akım ileri eğilimli difüzyon akımıyla dengeleninceye kadar N-P birleşmesinin ileri eğilimi devam eder. Bu iki akımın dengeye ulaşılması için gereken gerilim güneş hücresinin açık devre gerilimini oluşturur.C. Honsberg and S. Bowden, The Photovoltaic Effect. Retrieved from http://pveducation.org/pvcdrom 

Dolum Faktörü (FF), fotovoltaik hücredeki en yüksek güç çıktısının teorik güç çıktısına oranı olarak tanımlanır. Theorik güç çıktısı açık devre geriliminin kısa devre akımıyla çarpımından hesaplanır. Güneş hücresinin performansı ölçümlerinde kullanılan önemli bir parametredir.T. L. Benanti and D. Venkataraman, Organic solar cells: An overview focusing on active layer morphology. University of Massachusetts(25.04.2005)

Güç Dönüşüm Verimi (η), fotovoltaik hücrelere gelen güneş ışığı enerjisinin ne kadarının elektrik enerjisine dönüştüğünü gösteren bir parametredir. Güç çıktısının güç girdisine oranıyla bulunur.

Kuantum Verimi (QE), güneş hücresi tarafından biriktiren taşıyıcı sayısının, güneş hücresine gelen belirli enerjideki fotonların sayısına oranını gösterir. Belirli dalga boylarındaki fotonların hepsinin güneş hücresinde absorbe edilmesi ve oluşan bütün yük taşıyıcılarının hücre içerisinde biriktirilmesi kuantum veriminin 100% ya da 1 olduğunu belirtir. Güneş hücresinin kuantum verimliliği harici ve dahili kuantum verimliliği olmak üzere iki şekilde ifade edilir. Harici kuantum verimliliği gelen fotonların yansımalardan  ve iletiminden kaynaklanan kayıpları içerir. Dahili kuantum verimliliği yalnızca absorbe edilmiş olan fotonların yansıma ve iletim kayıplarını içerir.M. Bellis, How a Photovoltaic Cell Works, About.com Guide.Retrieved from http://inventors.about.com/od/pstartinventions/ss/photovoltic_cel_9.htm(2012)

 Çalışma Prensibi 

Organik güneş hücreleri belirli süreçlerden geçerek elektrik akımının oluşmasını sağlar. Temel süreçler aşağıda belirtilmiştir.

 Güneş ışığının yüzeyde tutulması 
Güneş hücrelerindeki esas amaç gelen ışığın olabildiğince yüksek miktarlarda absorbe edilip elektrik enerjisine çevrimi olduğundan inorganik ve organik güneş hücrelerinde genellikle yansımayı engelleyici bir tabaka güneş hücresinin üzerine kaplanır. Bu kaplamalar özel kalınlıklarda seçilmiş ince bir dielektrik malzeme tabakasından oluşur. Burada amaç, bu dielektik katmandan  yansıyan dalgaların yarı iletken yüzeyden yansıyan dalgalarla faz dışı kalarak tahrip edilmesi ve gelen ışığın yansımasının engellenmesidir. Gelen ışığın dalga boyunun 1/4 üne tekâmül eden dalga boyunu sağlayacak bir dielektrik malzeme seçilerek bu kaplamanın kalınlığı belirlenir.

 Fotonun emilimi ve eksiton oluşumu 

Fotovoltaik bir hücrenin yarattığı elektrik akımı, o hücredeki yaratılmış yüklerin sayısı ve bu yüklerin elektrotlarda birikimiyle orantılı olarak değişir. Elektrotlarda biriken yük sayısı, güneş hücresinde absorbe edilen fotonun oranına, elektron hol çiftlerinin coulomb etkisiyle bağlanarak oluşturduğu eksitonun ayrılma oranına ve ayrılmış serbest yüklerin elektrotlara ulaşarak elektrik akımını oluşturma oranına göre değişir.H. Hoppe and N.S.Sariciftci, Organik Solar Cell: An Overview. Journal of Material Research,2004 19(7): p. 1928-1929.

Organik güneş hücresi içerisinde verimli bir şekilde foton birikmesi için fotoaktif organik tabakanın emilim spektrumu güneş yayılım spektrumuyla eşleşmeli ve bu tabakanın gelen ışığı yüksek miktarlarda absorbe edecek kalınlığa sahip olması gerekir. Genellikle organik malzemelerin optik emilim katsayısı, kristal ve amorf yapıdaki silikonun optik emilim katsayısına göre çok  daha yüksektir. Örneğin, MDMO-PPV ve P3HT gibi conjuge  polimerlerin optik katsayısı, spektrumun görülebilir bölgesinde olup, 1×10–5 cm-1 düzeyini aşmaktadır. Bu değere göre, 100 nanometre kalınlıktaki bir organik polimer tabakası kullanılarak güneşten gelen fotonların yoğunluğunu, orijinal yoğunluğunun  % 36  ına indirmek mümkündür. Organik malzemenin yarattığı etki, kristal silikonun ışık yoğunluğunu indirgemesiyle karşılaştırıldığında, aynı ölçüde bir ışık yoğunluğu azalımı için silikon tabakanın kalınlığının organik tabakaya kıyasla 100 kez daha büyük olması gerekir.T. J. Savenije, Organik Solar Cells. Applied Sciences, Delft University of Technology, ch.8 p.6. Retrieved 10.01.2012.

 Eksiton difüzyonu ve yüklerin ayrılması 

Teorik olarak  bir güneş hücresinin verimli olması için ışığın emilimi sonrasında oluşan bütün eksitonların, serbest yük taşıyıcılarının oluşumunu  sağlaması gerekir. Gerçekte eksiton taşınımı sırasında ışımalı rekombinasyon (hareketli yük taşıyıcıların birleşerek elenmesi ve ışıma yapması) ya da ışıldama gibi bozunma işlemleri olur. Bu işlemler eksitonun ömrünü azaltmakla beraber difüzyon uzunluğunu da kısaltır. Bir eksitonun ömrü, ışımalı ve ışımasız bütün bozunma hızlarının tersi alınarak bulunmaktadır. Eğer bu hesaplanan ömür süresi içerisinde  eksitonların çoğu fotoaktif arayüze ulaşabilirlerse verimli bir güneş hücresi elde edilebilir. Moleküler malzemelerde eksiton ömrü birkaç nanosaniye olduğu için, difüzyon uzunluğu da yaklaşık 10 nanometreye kadar olmaktadır ve arayüzden difüzyon uzaklığı bu uzunluk içerisinde olan eksitonlar yüklerin ayrılmasını sağlayabilir.

Organik güneş hücrelerinin çoğunda yük ayrılması, ışıkla uyarılmış elektronların aktarımıyla gerçekleşir. Güneş hücresinde absorbe edilen  fotonların sağladığı enerji sayesinde, bir elektron elektron verici (donor) malzemeden elektron alıcı (acceptor) malzemeye aktarılır. Elektron verici malzemenin afinitesinin elektron alıcı malzemenin afinitesinden düşük olmasından kaynaklanan farktan ötürü, eksitonların ayrılması için itici bir kuvvet oluşur. Bu kuvvetin etkisiyle eksiton, verici alıcı arayüzünde bozunur ve ayrılmış yükler yaratır. Verimli bir şekilde bu yüklerin yaratılması için emilen fotonların enerjisinin, ışımasız bozunmalarla kaybedilmeden yük ayrılmasını yaratması ve bu ayrılan yüklerin (elektron ve holler) denge durumunda olup elektrotlara ilerlemesi gereklidir.

 Yüklerin taşınması  
Eksitonların  ayrılması her zaman serbest yük taşıyıcıların oluşmasıyla sonuçlanmaz çünkü ayrılmış eksitonlardan önemli miktarı, arayüzdeki kulombik bir çekimden ötürü bağlı halde kalabilir. Örneğin, konjuge polimer-fullerene harmanlarında (blends) verici alıcı arayüzündeki bağlı elektron hol çiftlerinin ayrışma verimliliğinin, ışıl akımı (fotocurrent) etkileyen baskın bir faktör olduğu gösterilmiştir. Kulomb yarıçapı yüklerin sıçrama uzaklığından yüksekse, pozitif ve negative taşıyıcılar birbirlerinin kolumbik çekiminden kurtulamaz ve sonucunda rekombine olup serbest hareketli yük taşıyıcıları oluşturamazlar. Bundan ötürü, yük taşıyıcılarının hareketliliği ve kulomb yarıçapı, kulombik olarak bağlanmış yük çiftlerinin ayrışma (dissociation) verimliliğini etkileyen en önemli iki parametredir. Hareketliliği ve dielektrik sabiti yüksek olan malzemeler ya da verici alıcı arayüzünde elektrik alan oluşturan dipollerin varlığı, hareketli taşıyıcıların oluşmasındaki verimliliği artırır.A. Pivrikas et al., Charge Carrier Lifetime and Recombination in Bulk Heterojuction Solar Cell. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 16 no. 6 (2010) 

 Yüklerin elektrotlarda birikmesi    
Serbest yük taşıyıcılarının elektrotlarda biriktirilmesi, genellikle hücrenin bir yanındaki  saydam ve iletken oksit tabakaları olan indiyum kalay oksit (ITO) ya da kalay oksit (SnO2) tarafından ve diğer yanındaki metal kontak tarafından gerçekleşir. Elektrotlar ve moleküler tabakalar arasında ohmik temas olmasına dikkat edilir ve güneş hücresinin performansını artırmak için özel kontak tabakaları pratikte geliştirilir. Saydam iletken tabakanın  olduğu taraftaki PEDOT:PSS ve metal kontaktaki LiF tabakaları buna örnek gösterilebilir.

 Kaynakça 

Kategori:Hücreler