Development of novel donor and acceptor sam molecules for photovoltaic applications

Abstract

İndiyum kalay oksidin (ITO) yüzey modifikasyonu, perovskit ve ITO arasındaki enerji bariyerinin düzenlenmesi ile arayüzeydeki yüklerin ekstraksiyonu ve rekombinasyona direkt etkisi olan önemli bir faktördür. Bu olayın açık devre voltajı (VOC), doldurma faktörü ve kısa devre akım yoğunluğu (JSC) gibi cihaz parametreleri üzerinde doğrudan tesiri vardır.Bu çalışma, p-i-n tipi perovskit güneş hücrelerinin üretiminde kullanılacak altı yeni KOT (SAM) molekülünün sentezine dayanmaktadır. Önerilen SAM'ler push-pull tipinde moleküler yapıya sahip olduklarından, bitişik tiyofen halkaları, tiyofenin daha düşük bir lokalizasyon enerjisine sahip olması ve benzenden daha üstün bir konjugasyon sağlaması nedeniyle ara gruptaki konjuge birimler olarak kullanılmıştır. Ayrıca, cihaz performansındaki sinerjik etkilerini incelemek üzere SAM molekülü yapısında elektron verici ve elektron çekici uç gruplar eklenmiştir.Sentezlenen bileşiklerin moleküler yapıları NMR spektroskopisi ile aydınlatılmış ve modifiye edilmiş ITO'nun yüzey analizleri kelvin probe kuvvet mikroskobu (KPFM), atomik kuvvet mikroskobu (AFM), döngüsel voltametri (CV), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), X-ışını kırınımı (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapılmıştır. ITO yüzeyi en güçlü elektron verici grup ile modifiye edildiğinde en dikkate çeken iş fonksiyonu elde edilmiştir.Yüzeyi SAM molekülleri ile modifiye edilmiş ITO kaplı cam elektrotlar, p-i-n türü perovskit güneş hücrelerin üretiminde kullanılmıştır. Bu moleküler sistem ile modifikasyonun sonuçları olarak perovskit güneş hücresinde ek bir inorganik metal okside veya yarı iletken polimere ihtiyaç kalmadan ITO'nun iş fonksiyonunda kalıcı değişiklikler, boşluk toplamada önemli bir artış ve kısa devre akımında iyileşme ortaya çıkmıştır.

Surface modification of indium tin oxide (ITO) is a crucial factor to alter the energy level barrier between ITO and perovskite that has direct influence on the charge extraction and recombination at interface. This phenomenon has further direct effect on device parameters such as open circuit voltage (VOC), fill factor (FF), and short circuit current density (JSC).This study was base on the synthesis of six novel SAM molecules to be used in fabrication of p-i-n type perovskite solar cells. Since proposed SAMs are of push-pull type molecular nature, contiguous thiophene rings were used as conjugated units in spacer group due to the fact that thiophene has lower delocalization energy and provide superior conjugation than that of benzene. Moreover, donor and acceptor type terminal groups were chosen in the structure of SAM molecules to synergistically examine their effect on device performance. The molecular structure of the synthesized molecules were proven by NMR spectroscopy and surface characteristics of modified ITO were achieved by various techniques including Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), atomic force microscopy (AFM), cyclic voltammetry (CV), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM). The most promising work function alignment was obtained when ITO surface was modified with a SAM molecule having the strongest donor terminal group.Inverted perovskite solar cell devices were fabricated on surface modified ITO electrodes. The results of modification obtained with such molecular system reveal permanent changes in the work function of ITO, significant enhancement in hole collection and improvement in short circuit photocurrent density in perovskite based solar cells without further requirement of any materials to be used as HTM.