Eu katkılı TiO2 ince filmlerinin karakterizasyonu ve ters-yüz polimer güneş piline uygulanması

Abstract

Bu tez çalışmasında TiO2 yarı iletken metal oksit malzemesi ince film formunda başarılı bir şekilde üretilmiş ve Eu metali katkılanmıştır. Katkılı ve katkısız TiO2 ince filmler SEM, XRD, XPS gibi karakterizasyon yöntemleri ile karakterize edilmiş, kristal yapısı, morfolojisi, elementel bileşenleri ve optik özellikleri ortaya konmuştur. Eu katkısının yapısal ve optik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Eu katkısının üretilen ince filmlerin morfolojisi neredeyse etkilemediği fakat kristal yapısını bozduğu gözlenmiştir. Üretilen ince filmlerin anatas faza sahip TiO2 kristali olduğu ve Eu katkı oranıyla (101) pikinin daha küçük açılara doğru kaydığı gözlenmiştir. Üretilen TiO2 ince filmler ters-yüz polimer güneş hücrelerinde elektron taşıyıcı ve hole bloklayıcı katman olarak kullanılmıştır. Bunu için P3HT:PCBM aktif katmanının foto-absorber olarak kullanıldığı ITO/TiO2:Eu/P3HT:PCBM/Ag yapısına sahip güneş hücreleri üretilmiş ve karakterize edilmiştir. TiO2 ince filmler sol-jel yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Ti-n-butoxide Ti kaynağı olarak kullanılmıştır ve Eu kaynağı olarak Eu-asetat kullanılmıştır. % 0, %1, %5, % 7 ve % 10 Eu katkı oranlarına sahip TiO2:Eu ince filmler üretilmiş ve elektron taşıyıcı katman olarak kullanılmıştır. P3HT:PCBM aktif katmanı ise 1:1 oranında P3HT ve PCBM 1,2 di-klorobenzen içinde karıştırılarak hazırlanan çözelti döndürerek kaplama yöntemi ile TiO2:Eu katmanları üzerine kaplanarak hazırlanmıştır. Üretilen cihazlar100 mW/cm2 ışık gücüne altında ve AM 1.5 koşullarında yarı iletken karakterizasyon sistemi ile akım-voltaj eğrileri alınarak karakterize edilmiştir. I-V eğrileri incelendiğinde Eu katkısı arttıkça seri direncin azaldığı ve kısa devre akımının % 5 Eu katkı oranına arttığı gözlenmiştir. Eu katkısı ile TiO2 ince filmin elektron taşıyıcı katman olarak kullanıldığı ters-yüz polimer güneş hücrelerinin verimi başarılı bir şekilde iyileştirilmiştir. % 1.16 olan katkısız TiO2 ile üretilen cihazın güç dönüşüm verimliliği % 5 Eu katkı oranı ile % 2.47'ye çıkarılmıştır. Anahtar Kelimeler: Oksit malzemeler, sol-jel, yarı iletkenlerin katkılanması, fotoiletkenlik ve fotovoltaik, metal oksitlerin katkılanması.

In this thesis, TiO2 semiconductor metal oxide material is successfully produced in the form of thin film and Eu metal is doped. Doped and undoped TiO2 thin films were characterized by the characterization methods such as SEM, XRD, XPS, and crystal structure, morphology, elemental components and optical properties are investigated. The effect of Eu addition on the structural and optical properties was investigated. It was observed that the Eu doping concentaration almost did not affect the morphology of the thin films but distorted their crystal structures. It was obtained that fabricated doped and undoped TiO2 thin films have anatase phase crystal structures and (101) peaks of the thin films shift the smaller angles. Produced TiO2 thin films were used as electron carrier and hole blocking layer in the inverted type polymer solar cells. For this, solar cells with ITO / TiO2: Eu / P3HT: PCBM / Ag structure in which the P3HT: PCBM active layer is used as photo-absorber have been produced and characterized. TiO2 thin films were prepared using the sol-gel method. Ti-n-butoxide was used as the Ti source and Eu-acetate was used as the Eu source. TiO2: Eu thin films with additive ratios of %0, %1, % 5, %7 and %10 Eu were produced and used as the electron transport layer. The active layer of P3HT: PCBM was prepared by mixing 1:1 ratio of P3HT and PCBM in 1,2 di-chlorobenzene. The solution was coating on TiO2: Eu layers by spin coating. The devices were characterized by taking current-voltage curves with a semiconductor characterization system under the conditions of 100 mW / cm2 light power and AM 1.5. When the I-V curves were examined, it was observed that as the Eu addition increased, the series resistance decreased and the short circuit current increased to % 5 Eu doping ratio. The contribution of the Eu-doping in the TiO2 thin films used as the electron-transporting layer has been successfully improved the efficiency of the inverted type polymer solar cell. Power conversion efficiency of the device, which was produced with pure TiO2 of % 1.16, was increased to % 2.47 with % 5 Eu doping ratio. Key Words: Oxide materials, sol-gel processes, impurities in semiconductors, photoconductivity and photovoltaic, doping of metal oxides.