Organik tabanlı güneş pili üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Organik elektronik malzemeler, hem optik absorpsiyonun hem de yük iletiminin kısmen π ve π* orbitalleri tarafından kontrol edildiği konjuge katılardır. Organik yarıiletkenleri inorganik yarıiletkenlerden ayıran en önemli özellikleri, fotonlar tarafından oluşturulan eksitonların bağlanma enerjilerinin büyük olması, yük iletiminin bir band vasıtasıyla değil de yerelleşmiş durumlara arasındaki hoplamalarla sağlanması, absorpsiyon katsayılarının yüksek olması sayılabilir. Tek boyutlu bir yarıiletken olarak organik yarıiletkenlerin elektronik ve optik özellikleri anizotropi gösterebilir. Organik yarıiletkenlerin bu özelliği aygıt tasarımında oldukça yararlıdır. Organik yarıiletkenlerin bu özellikleri ve üretim işlemlerinin kolaylığı, esnek altlıklar için uygun olması gibi nedenlerden dolayı elektronik alanında oldukça ilgi çeken malzeme grubudur. Alışılmış enerji kaynaklarının sınırlı olması, üretim maliyetlerinin yüksek olması gibi nedenlerden dolayı, yenilenebilir enerji kaynakları son yıllarda en büyük ilgiyi gören alanlardan birisidir. Bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak foto-voltaik aygıtlar Dünya enerji sorunun çözülmesinde üzerinde en çok çalışılan alanlardandır. Mükemmel yük iletim özelliği, yüksek güç dönüşüm verimi ve kararlılığından dolayı bugün, foto-voltaik aygıtların üretiminde büyük oranda silisyum (Si) tek kristalleri kullanılmaktadır. Fotovoltaik aygıt üretimi konusunda Si'u gallium arsenide (GaAs) ve germanyum (Ge) diğer yarıiletkenlerden öne çıkaran diğer bir önemli nedende Si teknolojisinin oturmuş olması ve Si ile çalışmanın iyi biliniyor olmasıdır. Şu anda, Si gibi inorganik tabanlı fotovoltaik aygıtların veriminin organik tabanlı foto-voltaik aygıtlardan yüksek olmasına rağmen inorganik tabanlı aygıtların, üretim maliyetlerinin yüksek olması (yüksek xi saflıkta Si tek kristallerinin üretimi oldukça pahalı sistemler gerektirmektedir), esnek altlıklar üzerine üretilmemeleri ve ulaşılabilecek verimin Si'un fiziksel özellikleri ile sınırlı olması gibi dezavantajları vardır. Dolayısıyla, ucuz ve verimli foto-voltaik aygıtların üretimi araştırmacıları organik malzemelere yönlendirmiş durumdadır. Hem iletken hem de yarıiletken özellik gösteren organik malzemelein geliştirilmesi bu malzemelerin opto-elektronik alanlarda da kullanımlarının yolunu açmıştır. Organik tabanlı foto-voltaik aygıtların geliştirilmesi, inorganik tabanlı aygıtlarla karşılaştırıldığında, birçok bakımdan büyük bir önem taşımaktadır. Bunlar, üretim esnasında malzeme kaybı ve enerji tüketiminin düşük olması dolayısıyla maliyetlerinin düşük olması, üretim işlemlerinin yüksek sıcaklıklar gerektirmemesi, esnek taşıyıcılar üzerine üretilebilmeleri olarak sıralanabilir. Ayrıca, organik malzemeler genelde yüksek absorpsiyaon katsayısına sahiptirler. Bu, oldukça ince filmlerle yeterli miktarda ışığın absorplanabilmesi demektir. Tüm bu özellikleri, organik malzemeleri foto-voltaik aygıt üretimi konusunda araştırmaların odağına taşımaktadır. Organik tabanlı foto-voltaik aygıtların verimi konusunda dikkate değer ilerlemelerin kaydedilmesine rağmen hala inorganik tabanlı aygıtlarla karşılaştırılabilir seviyede değildir. Organik tabanlı aygıtlarda en temel problemlerden birisi, elektrot/organik malzeme ara yüzeyindeki yük taşıyıcıların iletimidir. Bu sorunu çözmek için gerek verici/katot gerekse alıcı/anot ara yüzeyindeki metal/organik eklemlerinde değişik yöntemler uygulanmaktadır. Bu ara yüzeylere bir yada daha fazla malzemeden oluşan tampon tabakaların kaplanması en sık başvurulan yöntemdir. Bu yöntemle aygıt performansında ciddi ilerlemelerin sağlandığı rapor edilmiştir. Bu Yüksek Lisans tez çalışmasında, birisi inorganik/organik diğeri de tamamen organik tabakalardan oluşan iki grup foto-voltaik aygıtların üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen gerek inorganik/organik gerekse organik/organik tabakalarından oluşan foto-voltaik aygıtlarda verici olarak fitalosiyanin bileşikleri alıcı tabaka olarak da birisi fullerene (C60) diğeri de tris(8-hydroxyquinolinato) aluminium (Alq3) olan üzere iki farklı malzeme kullanılmıştır. İnorganik/organik tabakalarından oluşan aygıtlarda inorganik malzeme olarak gözenekli hale getirilmiş p-tip ve n-tip Si tek kristalleri kullanılmıştır. Gözenekli Si'lar, p-tip ve n-tip Si tek kristallerinin sabit bir akım yoğunluğunda elektrokimyasal aşındırmaları suretiyle elde edilmişlerdir. Gözenek yarıçapı ve derinliğine bağlılığı incelemek amacıyla, Si'ların gözenekli hale getirilmelerinde akım yoğunluğu sabit tutulmuş aşındırma süreleri değiştirilmiştir. Aşındırma süresi 5, 10, 15 ve 20 dakika olarak seçilmiştir. Üretilen foto-voltaik aygıtların elektriksel özellikleri karanlık ve aydınlık ortamlarda akım-gerilim (I-V) karakteristikleri ölçülmek suretiyle belirlenmiştir. Bu ölçümlerden temel güneş pili parametreleri olan kısa devre akımı, açık devre gerilimi ve üç dönüşüm verimi gibi parametreler belirlenmiştir. Bu yapılar arasında maksimum güç dönüşüm verimi ITO/Alq3/C60/Al tabakalarından oluşan yapıda gözlemlenmiştir.