Yeni Nesil Perovskit Güneş Hücreleri İçin Boşluk Aktarım Moleküllerin Tasarımı ve Uygulamaları

---

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2023

Tezin Dili: Türkçe

Öğrenci: CEYLAN DOYRANLI

Danışman: Nevim San

Özet:

Donör-akseptör-donör (D-A-D) tipi küçük organik moleküller kolay sentezlenmeleri ve elektronik enerji seviyelerinin (HOMO-LUMO) kolay ayarlanabilir olması gibi özelliklerinden dolayı perovskit güneş hücrelerinde arayüzey veya boşluk taşıyıcı tabaka olarak kullanılmaktadırlar.

Tez kapsamında dört farklı D-A-D tipi küçük organik molekül (BTBT, QC-TPA, QC-TPAOMe ve QC-HBT) sentezi gerçekleştirilerek yapısal, termal, optik, elektrokimyasal karakterizasyonları ve teorik (DFT) hesaplamaları ¹H-NMR, ¹³C-NMR, DSC, TGA, UV-Vis ve CV teknikleriyle gerçekleştirildi. Sentezlenen ve karakterizasyonu gerçekleştirilen organik moleküllerin uygulamaları ters çevrilmiş perovskit güneş hücrelerinde arayüzey ve boşluk taşıyıcı tabaka olarak cihaz uygulamaları başarılı bir şekilde gerçekleştirildi. BTBT molekülü ITO/BTBT/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbI_3-xCl_x/PCBM/Al cihaz yapısında arayüzey malzemesi olarak kullanılarak cihaz güç dönüşüm verimini %9,65 değerinden %11,6 değerine geliştirilmiştir. QC-TPA ve QC-TPAOMe organik küçük moleküller ise ITO/NiO_x/QC-TPA veya QC-TPAOMe/CH₃NH₃PbI₃/PCBM/BCP/Ag cihaz yapısında NiOx/perovskit arayüzeyinde kullanılmıştır. Arayüzey olarak organik moleküllerin kullanılmasıyla elde edilen cihazlarda J_sc ve FF değerleri geliştiği ayrıca elde edilen cihazların güç dönüşüm verimi referans cihaz olan NiO_x ve QC-TPA, QC-TPAOMe cihazları için sırasıyla %10,03; %14,46 ve %13,21 olarak kaydedildi. Perovskit güneş hücrelerinin yüzey morfolojileri SEM analizleri ile boşluk taşıyıcı tabakaların ise AFM analizleri ile incelendi. Her iki çalışmada da perovskit güneş hücrelerin üretim süreçleri metal kontağın termal olarak buharlaştırılması hariç glovebox dışında yüksek bağıl nemli ortamda gerçekleştirildi. Son aşamada QC-HBT molekülü kurşun içermeyen (kalay-temelli) perovksit yapısında boşluk taşıyıcı tabaka olarak uygulaması yapıldı. ITO/QC-HBT/FA_0.94Cs_0.01EDA_0.05SnI₃/C60/BCP/Ag cihaz yapısında elde edilen cihazların fotovoltaik karakterizasyonları gerçekleştirildi.

Summary

Donor-acceptor-donor (D-A-D) type small organic molecules are used as interface or hole transport layers in perovskite solar cells due to their easy synthesis and tunable of electronic energy levels (HOMO-LUMO). In this thesis, four novel D-A-D type small organic molecules (BTBT, QC-TPA, QC-TPMOMe, and QC-HBT) were synthesized. Then their structural, thermal, optical, and electrochemical characterization and theorical (DFT) calculations were performed by ¹H-NMR, ¹³C-NMR, DSC, TGA, UV-Vis, and CV techniques. Device application of synthesized and characterized organic molecules were successfully employed as an interface and hole transport layers in inverted perovskite solar cells. The BTBT molecules was used as the interface material in the ITO/BTBT/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbI_3-xCl_x/PCBM/Al device configuration, and the device power conversion efficiency was improved from 9.65% to 11.6%.  QC-TPA, and QC-TPAOMe organic small molecules were performed in the device configuration of ITO/NiO_x/QC-TPA or QC-TPAOMe/CH₃NH₃PbI₃/PCBM/BCP/Ag in the NiO_x/perovskite interface. Modification as an interlayer of organic molecules improved Jsc and FF values, and the power conversion efficiency of the devices boosted from 10.03% to 14.46% and 13.21% with NiO_x, QC-TPA and QC-TPAOMe, respectively. The surface morphologies of the perovskite layers were analyzed by SEM analysis, and the hole transport layers were analyzed by AFM technique. In both studies, the fabrication of perovskite solar cells were carried out in a high relative humidity environment outside the glovebox, expect for the thermal evaporation of metal contacts. In the last step, the QC-HBT small organic molecule was applied as a hole transport layer in lead-free (tin-based) perovskite solar cells. Photovoltaic characterization of the devices (ITO/QC-HBT/ FA_0.94Cs_0.01EDA_0.05SnI₃/C60/BCP/Ag) were performed.