Elektron ve enerji aktarım mekanizmalarının boya ile duyarlaştırılmış güneş pillerinin verimliliği üzerine etkileri

Abstract

Bu tez çalışmasında, elektron ve enerji transfer mekanizmalarınınboya ile duyarlaştırılmış güneş pili (DSSC) verimliliğine etkileri ultrahızlı pompa gözlem spektroskopi tekniği kullanılarak araştırılmıştır. DSSC yapılarında fotoduyarlı boya olarak katekol bağlayıcı grubu içerenBordipirometen (BODIPY) boya molekülleri kullanılmıştır. Sentezlenen boya moleküllerinde, aktif bağlayıcı grup pozisyonunun, konjuge bağ uzunluğunun, elektron verici grupların ve molekül simetrisinin yük transfer dinamiklerine etkileri hem çözücü ortamında hemde yarıiletken oksit tabaka üzerindesistematik olarak incelenmştir. Fotoduyarlı boya molekülleri ile oluşturulan DSSC'lerin fotovoltaik performansları, gelen fotonun yük taşıyıcısına dönüşüm verimleri (IPCE) ve I-V ölçümleri ile değerlendirilmiştir.Tez çalışmasında kullanılan boya molekülleri kendi içinde sistematik olması açısından iki gruba ayrılmıştır. Birinci grup boya moleküllerinde uzun konjugasyona sahip bağlayıcı grubun, moleküler rotasyonu engellemeyecek pozisyonlara bağlanması ile en yüksek fotovoltaik performans elde edilmiştir.İkinci grup boya moleküllerinden asimetrik yapıya ve elektron verici özelliği düşük olan yan gruba sahip boya molekülünde en uzun uyarılmış seviye ömrü ve yarıiletken oksitin iletkenlik bandına en hızlı yük transferi gözlenmiştir. Ayrıca, molekülde bağlayıcı grup sayısının artışının pil performansında azalmaya neden olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ultrahızlı pompa gözlem spektroskopi deneyleri, boya moleküllerinin uyarılmış seviye ömürlerinin aktif bağlayıcı grup pozisyonunun, molekülün konjugasyon uzunluğunun, elektron verici yan grubun ve molekül simetrisinin değiştirlmesiyle pil hücrelerinin fotovoltaik performanslarının kontrol edilebildiğini göstermiştir. Üretilen pil hücrelerinde akım yoğunluğunu artırmak amacıyla yarıiletken oksit tabaka kaplı elektrotlar farklı çizgi genişliğinde femtosaniye lazer ile aşındırılmış ve en yüksek pil performansı gösteren boya ile kaplanarak elektron aktarım dinamiklerine etkileri incelenmiştir. Lazer ablasyon tekniği ile aşındırılmış elektrotlar ile yapılan pillerin verimlerinin de artırıldığı gözlenmiştir.

In this thesis, the effects of electron and energy transfer mechanisms on efficiency of dye sensitized solar cell (DSSC) were investigated by using ultrafast pump-probe spectroscopy technique.Bordipirometen (BODIPY) dye molecules containing a catechol binding group were used as a sensitizer dye in DSSC structures. In the synthesized dye molecules, the effects of active binding group position, conjugate bond length, electron donor groups and molecular symmetry on charge transfer dynamics were investigated systematically both in solvent environment and on semiconductor oxide layer. The photovoltaic performances of DSSCs fabricated with photo-sensitive dye molecules wereevaluated by the incident photon to current conversion efficiency (IPCE) and I-V measurements. The dye molecules used in the thesis study were divided into two groups in terms of being systematic. In the first group of the dye molecules, the highest photovoltaic performance was achieved by binding the long conjugated anchoring group to the positions that would not prevent molecular rotation. In the second group dye molecules, the longest excited state lifetime in solvent environment and fastest electron injection rate to conduction band of semiconductorwas observed for the dye molecule having lower electron donating substituent and asymmetrical dye structure.In addition, it was concluded that the increase in the number of anchoring groups in the molecule caused a decrease in the cell performance. The ultrafast pump-probe spectroscopy experiments have shown that the photovoltaic performance of the cells can be controlled by altering the excited state lifetime, position of the active anchoring group, conjugation length of the molecule, electron donor moiety and molecular symmetry. In an attempt to increase the current density in the fabricated cell, semiconductor oxide layer coated electrodes were ablated with different line width by laser ablation technique and their effects on electron transfer dynamics were investigated by coated with the dye demonstrating the best photovoltaic performance.