Tandem Perovskit Foto-elektrokimyasal Güneş Pilleri için Elektron ve Boşluk Taşıyıcı Tabakaların Geliştirilmesi

Abstract

Günümüzde teorik verim limitlerine yaklaşmış olan tekli yapıdaki güneş pillerinin verimlerinin arttırılması ve gelen güneş ışığından daha fazla faydalanabilmesi adına tandem yapı olarak adlandırılan ikili güneş pilli mimarisi geliştirilmiştir. Bu yapılar ile farklı yasak enerji bant aralığına sahip iki ayrı güneş pili birleştirilerek farklı dalga boylarındaki ışık soğurulabilmekte ve böylelikle daha fazla verim elde edilmektedir. Foto-elektrokimyasal güneş pilleri ise gelen güneş ışığından faydalanarak suyun ayrıştırılması ile hidrojen elde edilen sistemlerdir. Bu anlamda hidrojen eldesi sırasında daha fazla akım üretmek adına tandem yapılarda kullanılmaktadır. Elektron taşıyıcı, perovskit ve boşluk taşıyıcı katmanlardan oluşan perovskit güneş pilleri bu anlamda tandem yapılar için ideal konuma gelmektedirler. Perovskit malzemeler, inorganik-organik hibrit yapıda üretilebilen, kolay üretim yöntemleri ile ince filmleri oluşturulan, yüksek soğurma katsayısına ve kontrol edilebilir yasak bölge enerji aralığına sahip olan yarıiletkenlerdir. Genellikle perovskit tabaka, elektron ve boşluk taşıyıcı katmanlar arasına yerleştirildiği sandviç yapı adı verilen güneş pili yapısı tercih edilmektedir. Bu yüzden elektron ve boşluk taşıyıcı katmanların opto-elektronik özellikleri total pil verimine önemli ölçüde etki etmektedir. Elektron taşıyıcı tabaka olarak n-tipi, boşluk taşıyıcı tabaka olarak ise p-tipi malzemeler kullanılmaktadır. Bu katmanlar sayesinde sandviç yapının ortasında yer alan perovskit malzemede ışık etkileşimiyle oluşan elektron-boşluk çifleri birbirinden ayırılarak elektron ve boşluk taşıyıcı tabakalara difüz etmesiyle ve rekombine olma süreleri uzamaktadır. Bu da pil performansına olumlu yönde katkı sağlamaktadır. Literatürde elektron taşıyıcı tabaka olarak TiO2, oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu bağlamda hazırlanan tez kapsamında elektron taşıyıcı tabaka olarak TiO2'e kıyasla daha kolay ve maliyet etkin üretim yöntemlerine sahip olan çevre dostu malzeme olan ZnO kullanılması konusu araştırılmıştır. ZnO elektron taşıyıcı tabaka, kimyasal banyo yöntemi ile üretilerek farklı morfolojilerde ince filmler elde edilmiş ve bu morfolojilerin performans kıyasları yapılmıştır. Üretilen ZnO nano çiçek nano yapılı güneş pilinin performansın iyileştirilmesi amacıyla kimyasal banyo solüsyonun pH optimizasyonu yapılmıştır. Perovskit tabaka olarak kararlılığı yüksek olan tamamen inorganik yapıdaki CsPbBr3 kullanılmıştır. Diğer katmanların pil performansına etkisi araştırılması adına perovskit katman sabit tutulmuştur. Boşluk taşıyıcı tabaka olarak ise CuI ve karbon ince film kullanılmıştır.

Today, in order to increase the efficiency of single junction solar cells, which have approached the theoretical efficiency limits, and to benefit more from the incoming sunlight, a dual solar cell architecture, called tandem structure, has been developed. With these structures, two separate solar cells with different forbidden energy band gaps can be combined to absorb light of different wavelengths and thus more efficiency is obtained. Photo-electrochemical solar cells, on the other hand, are systems that produce hydrogen by decomposing water by utilizing incoming sunlight. In this sense, it is used in tandem structures to produce more current during hydrogen production. Perovskite solar cells, which consist of electron transport, perovskite and hole transport layers, are in an ideal position for tandem structures in this sense. Perovskite materials are semiconductors that can be produced in inorganic-organic hybrid structure, thin films are formed with easy production methods, have a high absorption coefficient and a controllable forbidden zone energy range. Generally, a solar cell called a sandwich structure is placed between the perovskite layer, electron and hole transport layers structure is preferred. Therefore, the opto-electronic properties of the electron and hole transport layers significantly affect the total battery efficiency. N-type materials are used as electron carrier layer and p-type materials are used as hole carrier layer.Thanks to these layers, the electron-hole pairs formed by the light interaction in the perovskite material located in the middle of the sandwich structure are separated from each other and their recombination time is prolonged by diffusing into the electron and hole transport layers. This contributes positively to battery performance. TiO2 is widely used as an electron carrier layer in the literature. In this context, within the scope of the thesis prepared, the use of ZnO, an environmentally friendly material that has easier and more cost-effective production methods compared to TiO2, as an electron carrier layer has been investigated. ZnO electron transport layer was produced by chemical bath depositon method and thin films with different morphologies were obtained and performance comparisons of these morphologies were made. In order to improve the performance of the produced ZnO nano flower nano-structured solar cell, pH optimization of the chemical bath solution was made. As perovskite layer, CsPbBr3 with high stability and completely inorganic structure was used. The perovskite layer was kept constant in order to investigate the effect of other layers on battery performance. CuI and carbon thin film were used as the space carrier layer.