nda 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 günes ışığının sadece küçük bir kısmının P3HT:PCBM filmi tarafından soğurulması sorununu halletmek için yaklaşık 100 nm kalınlıgındaki 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 getirilebilinir.

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, çözüzücü buharıyla yapılan ısıl işlem ve organik madde ilavesi olarak sınıflandırılabilinir. Bu bölümde, bahsi geçen prosesler sonucunda elde edilen mikroyapılar ve bunların hücre performansı üzerindeki etkileri anlatılacaktır.

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. 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., .

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 yönetemiyle 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;

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) dalgaboyundaki ışığı %95 soğurabilmesi için, kalınlığının 240 nm olması gerektiği teorik olarak hesaplanmıştır.. Aktif katmanın bu kalınlıklarda defosuz ve düzgün bir moleküler yapıyla üretilebilmesi, bu sayede düşük bir seri dirence sahip olması ısıl işlemle mümkün kılınmıştır.

Birbaşka 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.

Aktif katman çözeltisi spin kaplama esnasında hızlı soğumuya 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.,

Konu ile ilgili yapılan bir araştırmada, farklı aktif katman katılaştırma sürelerinde elde edilen hücre performansları karşılaştırılımştır. Buna göre katılaştırma süresi 20 saniyeden, 20 dakikaya çıkarılındığında;
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.. Bu örnek, katılaştırma öncesi ısıl işlemin, aktif katman mikroypısını düzenleyerek mobiliteyi arttırdığının kanıtıdır.

Ayrıca, artan moleküler düzenin quantum veriminide olumlu etkilediği belirtilmiştir. Araştırmacılar, hızlı katılaştırılan aktif katmanların 350 nm dalga boyunda en fazla yüzde 19 quantum verimi ile çalıştığını ancak aynı hücre çözücü tavlamasına tabi tutulduğu zaman 500 nm dalga boyunda yüzde 63 quantum verimi ile çalştığını 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 mümkün. Çünkü, bu ısıl işlem aktif katmanın mikroyapısını düzeltmekle kalmayıp katot-yarı iletken arayüzünüde düzenlemekte ve bu sayede kontak direncinide düşürerek çok daha yüksek hücre verimi sağlamaktadır.

Aktif katman mikroyapısı hiçbir ısıl işlem ya da tavlamaya gerek duyulmadan çözeltiye eklenecek organik maddeler sayesinde de düzenlenebilinir. 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 sağlarlar (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.

Ayrıca, katı polimerik maddelerde çözeltilerin içinde çekirdekleyici ve kristal yapı düzenleyici olarak etkili olarak kullanılabilirler. 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.

Hücre verimini arttırmanın bir başka yoluda 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 kolaylaştrmak 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;

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.

Bir başka yaklaşımda, küçük bant boşluğuna sahip