Boşluk Taşıma Katmanının (HTL) Ters Çevrilmiş Organik Güneş Hücre Parametrelerine Etkisi

Yıl 2022, Cilt: 3 Sayı: 2, 123 - 132, 25.11.2022

İdris Candan , Yunus Özen , Barış Kınacı

Öz

Yüksek performanslı organik güneş hücresi elde etmek için yapıyı oluşturan katmanlar arasında bant kaymasını minimuma indiren arayüz modifikasyonu gerekli ve hayati koşullardan biridir. Bu çalışmada, HTL katmanının ters çevrilmiş organik güneş hücrelerinde verimlilik değerine ve hücre parametrelerine etkisini araştırmak için boşluk taşıma katmanı (Hole Transport Layer, HTL) olmayan (Cam/ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Ag) ve HTL olarak yapıya dâhil edilen MoO3 ince film tabakalı (Cam/ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag) iki tür aygıt üretildi ve karşılaştırıldı. Elektron taşıma katmanı (Elektron Transport Layer, ETL) için ZnO ve foto-aktif polimer tabakası P3HT:PCBM tabakaları dönel kaplama yöntemi kullanılarak kaplandı. HTL olarak kullanılan MoO3 ince film tabakası termal buharlaştırma yöntemi kullanılarak üretildi. Kaplama sonrası ZnO, P3HT:PCBM ve MoO3 ince film katmanlarının yüzey morfolojileri AFM görüntüleri yardımı ile analiz edildi. HTL olmadan ve HTL eklenerek üretilen güneş hücrelerinin fotovoltaik hücre parametrelerini karşılaştırmak için tüm aygıtların AM 1.5 (1 Güneş) aydınlatma koşulu altında akım yoğunluğu (J) – voltaj (V) ölçümleri gerçekleştirildi. J-V grafiği kullanılarak, kısa devre akım yoğunluğu (JSC), açık devre voltajı (VOC), dolgu faktörü (FF), şönt direnci (RSH), seri direnç (RS) ve güç dönüşüm verimliliği (PCE) değerleri her iki aygıt için hesaplandı ve karşılaştırıldı. MoO3 ince film tabakasının HTL olarak aygıt yapısına eklenmesi sonrasında JSC, FF ve RSH değerlerinin yükseldiği ve RS değerinin düştüğü görüldü. HTL eklenerek üretilen aygıtların PCE değerinin %0,89’dan %2,23’e çıktığı gözlendi.

Anahtar Kelimeler

Ters Çevrilmiş Organik Güneş Hücreleri, Boşluk Taşıma Katmanı, MoO3, Güneş Hücre Parametreleri

Kaynakça

• [1] C.W. Tang, (1986). Two-layer organic photovoltaic cell. Appl. Phys. Lett., 48, 183.
• [2] W. Ma, C. Yang, X. Gong, K. Lee, A.J. Heeger, (2005). Thermally Stable, Efficient Polymer Solar Cells with Nanoscale Control of the Interpenetrating Network Morphology. Adv. Funct. Mater., 15, 1617–1622.
• [3] H.J. Snaith, A.C. Arias, A.C. Morteani, C. Silva, R.H. Friend, (2002). Charge Generation Kinetics and Transport Mechanisms in Blended Polyfluorene Photovoltaic Devices. Nano Lett. 2, 1353–1357.
• [4] M. Al-Ibrahim, S. Sensfuss, J. Uziel, G. Ecke, O. Ambacher, (2005). Comparison of normal and inverse poly(3- hexylthiophene)/fullerene solar cell architectures. Sol. Energy Mater. Sol. Cells., 85, 277–283.
• [5] A.K.K. Kyaw, X.W. Sun, C.Y. Jiang, G.Q. Lo, D.W. Zhao, D.L. Kwong, (2008). An inverted organic solar cell employing a sol-gel derived ZnO electron selective layer and thermal evaporated MoO3 hole selective layer. Appl. Phys. Lett., 93, 221107.
• [6] C.W. Tang, (1986). Two‐layer organic photovoltaic cell. Appl. Phys. Lett., 48, 183–185.
• [7] G. Yu, J. Gao, J.C. Hummelen, F. Wudl, A.J. Heeger, (1995). Polymer Photovoltaic Cells: Enhanced Efficiencies via a Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions. Science, 270, 1789–1791.
• [8] G. Dennler, M.C. Scharber, C.J. Brabec, (2009). Polymer-Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater., 21, 1323–1338.
• [9] NREL, Best Research - Efficiency Chart https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficienciesrev220630.pdf Access date: 09.13.2022, (n.d.).
• [10] A. Facchetti, (2013). Polymer donor–polymer acceptor (all-polymer) solar cells. Mater. Today, 16, 123–132.
• [11] X. Liu, H. Kim, L.J. Guo, (2013). Optimization of thermally reduced graphene oxide for an efficient hole transport layer in polymer solar cells. Org. Electron., 14, 591–598.
• [12] J. Kettle, H. Waters, M. Horie, S.-W. Chang, (2012). Effect of hole transporting layers on the performance of PCPDTBT : PCBM organic solar cells. J. Phys. D. Appl. Phys., 45, 125102.
• [13] R.A. Street, K.W. Song, J.E. Northrup, S. Cowan, (2011). Photoconductivity measurements of the electronic structure of organic solar cells. Phys. Rev. B., 83, 165207.
• [14] R.A. Street, (2011). Localized state distribution and its effect on recombination in organic solar cells. Phys. Rev. B., 84 075208.
• [15] M. Jørgensen, K. Norrman, F.C. Krebs, (2008). Stability/degradation of polymer solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 92, 686–714.
• [16] B. Paci, A. Generosi, V. Rossi Albertini, P. Perfetti, R. de Bettignies, C. Sentein, (2008). Time-resolved morphological study of organic thin film solar cells based on calcium/aluminium cathode material. Chem. Phys. Lett., 461, 77–81.
• [17] T. Shirakawa, T. Umeda, Y. Hashimoto, A. Fujii, K. Yoshino, (2004). Effect of ZnO layer on characteristics of conducting polymer/C 60 photovoltaic cell. J. Phys. D. Appl. Phys., 37847–850.
• [18] İ. Candan, Y. Özen, (2019). P3HT:PCBM Fotoaktif Tabanlı Tersine Çevrilmiş Polimer Güneş Hücrelerinin Üretimi ve Karakterizasyonu. Gazi Üniversitesi Fen Bilim. Derg. Part C Tasarım ve Teknol., 7, 916–926.
• [19] N. Oka, S. Yamada, T. Yagi, N. Taketoshi, J. Jia, Y. Shigesato, (2014). Thermophysical properties of SnO 2 - based transparent conductive films: Effect of dopant species and structure compared with In 2 O 3 -, ZnO-, and TiO 2 -based films. J. Mater. Res., 291579–1584.
• [20] H. Cheun, C. Fuentes-Hernandez, J. Shim, Y. Fang, Y. Cai, H. Li, A.K. Sigdel, J. Meyer, J. Maibach, A. Dindar, Y. Zhou, J.J. Berry, J.-L. Bredas, A. Kahn, K.H. Sandhage, B. Kippelen, (2012). Oriented Growth of Al2O3:ZnO Nanolaminates for Use as Electron-Selective Electrodes in Inverted Polymer Solar Cells. Adv. Funct. Mater., 22, 1531–1538.
• [21] C. Liu, J. Tu, X. Hu, Z. Huang, X. Meng, J. Yang, X. Duan, L. Tan, Z. Li, Y. Chen, (2019). Enhanced Hole Transportation for Inverted Tin‐Based Perovskite Solar Cells with High Performance and Stability. Adv. Funct. Mater., 291808059.
• [22] H.N. Tran, D.Q. Dao, Y.J. Yoon, Y.S. Shin, J.S. Choi, J.Y. Kim, S. Cho, (2021). Inverted Polymer Solar Cells with Annealing‐Free Solution‐Processable NiO. Small, 17, 2101729.
• [23] Y. Wang, Q. Luo, N. Wu, Q. Wang, H. Zhu, L. Chen, Y.-Q. Li, L. Luo, C.-Q. Ma, (2015). Solution-Processed MoO3 :PEDOT:PSS Hybrid Hole Transporting Layer for Inverted Polymer Solar Cells. ACS Appl. Mater. Interfaces., 7, 7170–7179.
• [24] I. Irfan, A. James Turinske, Z. Bao, Y. Gao, (2012). Work function recovery of air exposed molybdenum oxide thin films. Appl. Phys. Lett., 101, 093305.
• [25] Ü. Murat, S. Çamur, B. Arifoğlu, (2013). Fotovoltaik hücrenin tek diyot eşdeğer devre parametrelerinin çıkarılması ve MATLAB/ SIMULINK modeli, in: 5.Enerji Veriml. ve Kalitesi Sempozyumu. Kocaeli, 232–236.
• [26] M. Kul, (1989). Güneş pili seri direncinin belirlenmesi ile ilgili yöntemler (Yüksek Lisans Tezi), Anadolu Üniversitesi.
• [27] W. Kim, W. Choi, (2010) .A novel parameter extraction method for the one-diode solar cell model. Sol. Energy, 84, 1008–1019.
• [28] J. Nelson, (2003). The Physics of Solar Cells, Imperial College Press. London.
• [29] C. Zafer, M. Kus, G. Turkmen, H. Dincalp, S. Demic, B. Kuban, Y. Teoman, S. Icli, (2007). New perylene derivative dyes for dye-sensitized solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 91, 427–431.
• [30] M. Kröger, S. Hamwi, J. Meyer, T. Riedl, W. Kowalsky, A. Kahn, (2009). Role of the deep-lying electronic states of MoO3 in the enhancement of hole-injection in organic thin films. Appl. Phys. Lett., 95, 123301.
• [31] P.R. Brown, R.R. Lunt, N. Zhao, T.P. Osedach, D.D. Wanger, L.Y. Chang, M.G. Bawendi, V. Bulović, (2011). Improved current extraction from ZnO/PbS quantum dot heterojunction photovoltaics using a MoO3 interfacial layer. Nano Lett., 11, 2955–2961.
• [32] Patel, V., Trivedi, P., Gohel, H., & Khetani, D. (2014). Synthesis and Characterization of Schiff Base of p - chloro aniline and their Metal Complexes and their evaluation for Antibacterial Activity. International Journal of Advances in Pharmacy, Biology and Chemistry, 3(4), 999–10