Fotonik kristal içeren yarı geçirgen organik güneş hücrelerinin tasarımı ve üretimi

Bu tez çalışmasında, opak ve yarı-geçirgen (Semi transparent, ST) optik karakteristiğe sahip organik yarıiletken tabanlı bulk-heteroeklem (bulk-heterojunction, BHJ) ters çevrilmiş organik güneş hücreleri (Inverted organic solar cell, IOSC) incelenmiştir. IOSC'lerin aktif bölgesi donör olarak poly (3-hexylthiophene-2, 5-diyl) (P3HT) ve akseptör olarak poly (6, 6-phenyl C61-butyric acid methyl ester) (PCBM) organik yarıiletkenlerinin karışımından, elektron transport tabakası (Electron transporting layer, ETL) ve boşluk transport tabakası (Hole transporting layer, HTL) geçiş metal-oksit (Transition metal-oxide, TMO) malzeme sistemlerinden oluşturmaktadır. Teorik olarak tasarlanan, incelenen ve optimal değerleri belirlenen OSC yapılarının üretimi ve karakterizasyonu Gazi Üniversitesi Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezi'nde yapılmıştır. Tez kapsamında OSC'lerin incelenmesi metodolojik olarak üç kısma ayrılabilir. İlk olarak farklı HTL malzemesi kullanılarak en iyi hücre performansı veren IOSC yapısı belirlenmiştir. En iyi hücre performansına sahip IOSC'nin belirlenmesinde güç dönüşüm verimliliği (Power conversion efficiency, PCE) değerleri referans alınmıştır. Ardından uygun HTL malzemesine sahip yüksek performanslı opak-IOSC yapısı uygun bir dielektrik/metal/dielektrik (dielectric/metal/dielectric, DMD) tabanlı şeffaf üst kontak ile yarı-geçirgen ST-OSC yapısına dönüştürülmüştür. ST-OSC yapısının tasarımı ortalama görünür geçirgenlik (Average visible transmittance, AVT) değerleri üzerinden değerlendirilerek en yüksek AVT'ye sahip optimal yapı parametreleri elde edilmiştir. Son olarak ST-OSC'lere bir boyutlu (One dimension, 1D) fotonik kristallerin (Photonic crystal, PC) entegrasyonu ile yapıların renk koordinatları Planckian locus'a doğru kaydırılmıştır. P3HT:PCBM tabanlı IOSC'lerde ETL olarak ZnO ve HTL olarak MoO3, V2O5 ve WO3 TMO malzeme sistemleri kullanılmıştır. Her bir HTL tabakasının IOSC'nin optik, yapısal ve elektriksel özellikleri üzerine etkisi sırasıyla geçirgenlik, atomik kuvvet mikroskobu (Atomic force microscope, AFM) ve akım-voltaj ölçümleri yapılarak incelenmiştir. En iyi hücre performansı veren HTL malzemesi MoO3 olarak belirlenmiştir ve yapının dolum faktörü (Fill factor, FF) %51.17, PCE değeri ise %2.11'dir. Opak-IOSC yapısının opak üst kontağı uygun tasarım parametreleri belirlenen MoO3/Ag/MoO3 dielektrik/metal/dielektrik (dielectric/metal/dielectric, DMD) şeffaf üst elektrot ile modifiye edilmiş ve ST-OSC yapıları tasarlanmıştır. DMD ve ST-OSC yapılarının teorik soğurma, geçirgenlik ve yansıma karakteristikleri transfer matris yöntemi (Transfer matrix method, TMM) kullanılarak hesaplanmıştır. Tasarımlarda MoO3/Ag/MoO3 ttabaka kalınlıkları değiştirilerek en yüksek AVT değerine sahip optimal yapı parametreleri belirlenmiş ve bu değerlerde ST-OSC yapısı üretilmiştir. Teorik olarak %38.52 ve deneysel olarak %37.42 AVT değeri elde edilmiştir. Yüksek AVT değerine sahip ST-OSC yapısının renk koordinatlarının modifikasyonu (MgF2/MoO3)N 1D-PC sisteminin entegrasyonu ile gerçekleştirilmiştir. N=4 periyot ve λ_B=700 nm için tasarlanan (MgF2/MoO3)N 1D-PC ile ST-OSC'nin renk koordinatları Planckian locus ve D65 renk koordinatlarına kaydığı belirlenmiştir. Bu yapı için x ve y sırasıyla 0.3248 ve 0.3733, AVT değeri ise %18.63 olarak hesaplanmıştır. 1D-PC içeren ST-OSC tasarımlarında, renk sıcaklığı (Correlated color temperature, CCT)CCT tayini için gerekli Δ_(u,v)<0.0054 şartı sadece λ_B=725 nm için N=4 ve 8 periyotlarda sağlandığı görülmüştür. λ_B=725 nm'de N=4 ve 8 periyot için Δ_(u,v) değerleri sırasıyla 0.0031 ve 0.0039, CCT değerleri ise sırasıyla 3483 K ve 3161 K'dir. Ayrıca ST-OSC'lerin renksel geriverim indeksi (Color render index, CRI)CRI değerlerinin 1D-PC'in entegrasyonu ile ciddi derecede azaldığı gözlenmiştir. (MgF2/MoO3)N 1D-PC sistemi ile ST-OSC'nin hücre performansınında olumlu etkilendiği belirlenmiştir. 1D-PC içeren ST-OSC'de J_sc'nin, ST olana nazaran daha yüksek, opak olana nazaran ise daha az olduğu gözlenmiştir. Bragg dalgaboyu (λ_B) 700 nm'de N=4 periyotta fotonik bant aralığına (Photonic band gap, PBG) sahip ST-OSC yapısının FF değeri %53.61 ve PCE değeri %1.90'dır. Çalışma kapsamında yapılan detaylı hesaplamalar ve optimal değerlerde üretilen OSC'ler üzerine incelemeler sonucu, 1D-PC içeren bir ST-OSC tasarımı ile yapının optik özelliklerin modifiye edilebilmesinin ve renk koordinatlarının Planckian locus'a kaydırabilmesinin yanı sıra hücre çıkış parametrelerinin de iyileştirilebileceği belirlenmiştir.