Katkılı perovskit güneş pillerinin üretimi ve fotovoltaik karakterizasyonu

Abstract

Organometal halojenür perovsit bileşikler, güneş hücrelerinde son yılların en çok çalışılan araştırma alanlarından biri olmuştur. İlk kez 2009 yılında %3,8 verim ile gündeme gelen perovskit soğuruculu güneş pilleri bugün %10 ile %15 arası, hatta çok özel üretim koşullarında %20 ve üzeri verim değerlerine ulaşmaktadırlar. Bu kadar kısa sürede bu denli hızlı verim artışı göstermelerinden dolayı araştırmacıların ilgi odağı oldu. Bu bileşiklerden en çok kullanılanı metilamonyumiyodür (MAI)'lü perovskitlerdir. MAI'li perovskitlerin kolay üretim aşamaları ve yüksek verimleriyle birlikte atmosfer ortamında kararlı olmama, nemden ve oksijenden etkilenme, çalışma ve sıcaklık kararlılıklarının çok zayıf olması ve çalışma esnasında kristal faz değişikliği göstermek gibi önemli dezavantajları bulunmaktadır. Perovskit soğurucular adına olumlu olmayan bu gelişmeleri `tekrarlanma` ve `kararlılık` problemleri olarak iki ana maddede özetleyebiliriz. Bu çalışmada `tekrarlanma` ve yüksek verim problemine karşı katkılı perovskit üretimi gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasına özgü olarak da katkılı perovskitlerin ardışık yöntemlerle üretimi yapılmıştır. Ardışık üretimde ikinci aşama olan MAI kaplanması esnasında çözeltiye %1, %5, %10, %20 ve %40 oranında MACl, ACl ve MAAc eklenmiştir. Her 3 katkıda da %10 katkılı üretimlerin, tekrarlanabilir ve yüksek verimlere sahip hücreler meydana getirdiği gözlenmiştir. MACl katkılı perovskit soğuruculu güneş hücreleri çalışmalarında %6,47 verim, -12,53 mA/cm2 Jsc, 0,79V Voc ve 0,65 FF değerlerine ulaşılıp ardışık üretim metodunda, katkılı perovskit güneş hücrelerinde rekor veriler elde edilmiştir. MAAc katkılı perovskit güneş hücrelerinde ise bu alandaki ilk üretim gerçekleştirilmiş olup %4,84 verim, 0,67V Voc, -12,93mA/cm2 Jsc ve 0,55 FF değerlerine ulaşılmıştır.Perovskit güneş hücrelerinin bir diğer önemli dezavantajı olan `kararlılık` probleminde ise özgün bir perovskit materyali olarak etilendiamindiiyodür (EDDI) sentezlenerek EDDPbI4 perovskit soğurucuya sahip güneş hücreleri üretilmiştir. Bu üretimlerde malzemenin kararlı olup atmosfer ortamında klasik perovskitlere göre daha uzun süre stabil kaldığı tespit edilmiştir. Yapılan aygıtlarda yüksek verimlere ulaşılamasa da 0,98V gibi yüksek Voc değerleri elde edilmiştir. Daha pürüzsüz hücre üretimleri ve arayüzey iyileştirmeleriyle yüksek verimli perovskit güneş hücre üretimine öncülük edebilir gayet kararlı bir malzeme literatüre kazandırılmıştır.

Organometallic halide perovskite compounds have been one of the most studied research areas of solar cells in recent years. Coming out with a yield of 3.8% as the perovskite-absorbing solar cells for the first time in 2009, now reach values between 10% and 15%, even over 20%. It was the focus of interest for researchers because of their rapid increase in productivity in such a short period of time. The most commonly used among those compounds are methylammoniumiodide (MAI) perovskites. Although having easy production steps and high yields, MAI perovskites have significant disadvantages such as not being stable in the atmospheric environment, being affected by humidity and oxygen, very poor working and temperature stability, and showing crystal phase change during cell operation. We can summarize these unfavorable developments about perovskite absorbers as `repetition` and `stability` problems. In this study, perovskite solar cells with additive were produced for the problem of `repetition` and high efficiency. The dopped perovskites were produced by successive deposition methods for the first time at this work. In the sequential production, MACl, ACl and MAAc were added in amounts of 1%, 5%, 10%, 20% and 40% of the solution during MAI coating at the second step. It has been observed that 10% added productions in each of the three additives showed repeatable and high yielding cells. In the MACl-added perovskite-absorbing solar cells, a yield of 6.47%, -12.53mA/cm2 Jsc, 0.79V Voc and 0.65 FF were achieved, and a record was obtained in the perovskite solar cells with additive in the sequential production method. In the MAAc-added perovskite solar cells, the first production was performed in this area, yielding 4.84% PCE, 0,67V Voc, -12,93mA / cm2 Jsc and 0.55 FF.In the `stability` problem, which is another important disadvantage of perovskite solar cells, solar cells with EDDPbI4 perovskite absorber have been produced by synthesizing ethylenediaminediiodide (EDDI) as a specific perovskite material. In these productions, it was observed that the material was more stable in the atmosphere for a longer period than the classical perovskites. Even though high efficiency cannot be achieved in these devices, high Voc values as well as 0,98V were obtained. With producing smoother interfaces, a highly stable material that can lead to high yield perovskite solar cell production has been gained to the literature.