D-π-A Tipi Heteroaril-Sübstitüe Tiyofen Türevlerinin DSSC Fotoanot ve Katot Malzemesi Olarak Teorik İncelenmesi
Theoretical Investigation of D-π-A Type Heteroaryl-Substituted Thiophene Derivatives as DSSC Photoanode and Cathode Materials
- Tez No: 1012685
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLBİN KURTAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Kimya, Chemistry
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Organik Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Boya duyarlaştırıcı güneş hücreleri (ing. Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC), düşük üretim maliyetleri ve esneklikleri sayesinde hem dış hem de iç mekân uygulamalarına yanıt verebilecek potansiyelde, güncel bir fotovoltaik teknoloji olarak dikkat çekmektedir. Bu tez çalışmasında, bir DSSC sisteminin moleküler düzeyde tasarımından başlayarak cihaz düzeyinde performansına kadar uzanan süreçleri kapsayan, çok ölçekli bir analitik çerçevenin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın odağında, donör-π-akseptör (D-π-A) yapısındaki on beş farklı fotoanot boyarmaddesi ile politiyofen türevi yedi farklı katot/boşluk taşıyıcı malzeme (BTM) polimer serisi yer almaktadır. Fotoduyarlaştırıcı boyarmaddeler, yedi farklı π-köprü serisi üzerine kurulmuş olup her seri iki yapısal izomer (FA-1/7 (a ve b)) içermektedir; bunlara bir de model boyarmadde eklenmiştir (FA-model). BTM polimer grubu ise yedi politiyofen türevini kapsamaktadır (K-1/7). Moleküler düzeyde DFT hesaplamaları üzerinden sınır orbital seviyeleri, bağ uzunluğu alternasyonu, molekül içi yük aktarımı karakteri; zamana bağlı DFT (TD-DFT) hesaplamaları ile de absorpsiyon spektrumları, ışık hasat verimliliği, Marcus reorganizasyon enerjileri, birinci dereceden hiperkutuplanabilirliği ve TiO2 yüzey adsorpsiyon enerjileri incelenmiştir. BTM polimer serilerinin rejiyokimyasal izomer uzayı, GFN2-xTB yarı deneysel yöntemiyle taranmış; her seri için elde edilen en kararlı yapılar DFT seviyesinde yeniden optimize edilerek polimer sınırı elektrokimyasal davranışın hesaplanmasında temel geometriler olarak kullanılmıştır. Cihaz simülasyonları, beş katmanlı katı hâl DSSC mimarisi üzerinde yürütülerek hem temel parametrik taramaları hem de farklı ışık kaynakları altında iç mekân fotovoltaik uygulama senaryolarını kapsamaktadır. Veri odaklı yorumlama için LightGBM makine öğrenmesi çerçevesi geliştirilmiş ve bağımsız çapraz doğrulama protokolleriyle değerlendirilmiştir. Çalışmanın bulguları üç ana eksen altında toplanmaktadır. İlk olarak, yedi BTM polimer serisi Tanaka yakınsama kalitesi ve hekzamer omurga dihedral açıları değerlendirildiğinde iki gruba ayrılmaktadır: yakınsak-plato serisi (K-5/7) ve bükümlü-değişken serisi (K-1/4). SCAPS-1D simülasyonlarındaki istatistiksel olarak anlamlı performans farkları ve makine öğrenmesi çerçevesindeki öznitelik önemi sıralamaları, sınıflandırmanın cihaz davranışına yansıdığını göstermektedir. İkinci olarak, klasik DSSC rejenerasyon termodinamiği açısından on beş boyarmaddenin tümüyle uyumlu görünen K-3 serisinin cihaz simülasyonlarında en zayıf performansı sergilemesi dikkat çekici bir çelişki ortaya koymuştur. K-3 paradoksu olarak adlandırılan bu durum, klasik sıvı-elektrolit DSSC için K-3'ün, katı hâl ve hibrit perovskit-DSSC için ise yakınsak-plato serisinin öne çıktığı iki yollu bir tasarım stratejisinin gerekçesini oluşturmaktadır. Üçüncü olarak, iç mekân fotovoltaik uygulamalara dair taramada yakınsak-plato serisinin üstünlüğü beş farklı ışık kaynağı altında da sürmüş; ancak K-1 polimerinin bu seriden istatistiksel olarak ayırt edilemediği görülmüştür. K-1 anomalisi olarak adlandırılan bu davranış, sınıflandırmanın keskin bir sınır olarak değil, kademeli bir geçiş olarak yorumlanması gerektiğini düşündürmektedir. Sonuç olarak, bu çalışma DFT/TD-DFT tabanlı moleküler tanımlayıcıların, polimer sınırı elektrokimyasal analizlerin, SCAPS-1D cihaz simülasyonlarının ve makine öğrenmesi destekli yorumlamanın birleştirildiği bütünleşik bir DSSC tasarım protokolü sunmaktadır. Metodolojik katkı, moleküler düzeyde hesaplanan parametrelerin cihaz simülasyonuna aktarılması ve çoklu performans ölçütleriyle birlikte değerlendirilmesidir. Kavramsal katkı ise yakınsak-plato/bükümlü-değişken sınıflandırmasının, K-3 paradoksunun, K-1 anomalisi ve iki yollu DSSC tasarım stratejisinin formüle edilmesidir. Bu yaklaşım, fotoanot boyarmaddesi-BTM eşleşmelerinin tek bir performans ölçütüne göre değil; rejenerasyon uyumu, cihaz performansı, kusur dayanıklılığı ve iç mekân fotovoltaik uygunluğu birlikte dikkate alınarak değerlendirilmesi gerektiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC) have attracted attention as a current photovoltaic technology with the potential to serve both outdoor and indoor applications, owing to their low production costs and flexibility. In this thesis, the aim has been to develop a multi-scale analytical framework that encompasses the processes ranging from the molecular-level design of a DSSC system to its device-level performance. The study focuses on 15 different photoanode dyes with a donor-π-acceptor (D-π-A) structure and 7 different polythiophene-derived cathode/hole transport material (HTM) polymer families. The photosensitizing dyes are built upon seven different π-bridge families, each containing two structural isomers (FA-1/7 (a and b)); a model dye has also been added to these (FA-model). The HTM polymer group, in turn, comprises seven polythiophene derivatives (K-1/7). At the molecular level, frontier orbital levels, bond-length alternation, and intramolecular charge-transfer character have been investigated using DFT calculations; absorption spectra, light-harvesting efficiency, Marcus reorganization energies, first-order hyperpolarizability, and TiO2 surface adsorption energies have been investigated using time-dependent DFT (TD-DFT) calculations. The regiochemical isomer space of the HTM polymer families has been scanned using the semi-empirical GFN2-xTB method; the most stable structures obtained for each family have been re-optimized at the DFT level and used as reference geometries for calculating polymer-limit electrochemical behavior. Device simulations have been carried out on a five-layer solid-state DSSC architecture, encompassing both basic parametric scans and indoor photovoltaic application scenarios under different light sources. For data-driven interpretation, a LightGBM machine learning framework has been developed and tested with independent cross-validation protocols. The findings of the study are gathered along three main axes. First, when the seven HTM polymer families are evaluated in terms of Tanaka convergence quality and hekzamer backbone dihedral angles, they are separated into two groups: the Convergent-plateau family (K-5/7) and the Twisted-variable family (K-1/4). The statistically significant performance difference in SCAPS-1D simulations and the feature-importance rankings in the machine-learning framework demonstrate that the classification is reflected in device behavior. Second, the fact that the K-3 family, which appears entirely compatible with all fifteen dyes from the standpoint of classical DSSC regeneration thermodynamics, exhibits the weakest performance in device simulations has revealed a striking contradiction. This situation, termed the K-3 paradox, provides the rationale for a two-pathway design strategy in which the K-3 family stands out for classical liquid-electrolyte DSSC, and the convergent-plateau family stands out for solid-state and hybrid perovskite DSSC. Third, in the scan of indoor photovoltaic applications, the superiority of the convergent-plateau family has persisted across all five light sources; however, the K-1 polymer cannot be statistically distinguished from this family. This behavior, termed the K-1 anomaly, suggests that the classification should be interpreted not as a sharp boundary but as a gradual transition. In conclusion, this study presents an integrated DSSC design protocol that combines DFT/TD-DFT-based molecular descriptors, polymer-limit electrochemical analyses, SCAPS-1D device simulations, and machine learning-supported interpretation. The methodological contribution is the transfer of parameters calculated at the molecular level to device simulations and their evaluation alongside multiple performance criteria. The conceptual contribution, in turn, is the formulation of the convergent-plateau/twisted-variable classification, the K-3 paradox, the K-1 anomaly, and the two-pathway DSSC design strategy. This approach demonstrates that photoanode-dye-HTM pairings should be evaluated not on a single performance criterion but by jointly considering regeneration compatibility, device performance, defect tolerance, and indoor photovoltaic suitability.
Benzer Tezler
- Synthesis, photophysical properties and ofet application of thienothiophene and benzothiadiazole based donor-π-acceptor-π (D-π-A-π) type conjugated polymers
Tiyenotiyofen ve benzotiyadiazol esaslı donör-π-alıcı-π (D-π-A-π) tipi konjuge polimerlerin sentezi, fotofiziksel özellikleri ve ofet uygulaması
SERRA EBRU ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TURAN ÖZTÜRK
- Kinolin esaslı D-π-A-π-A bileşiklerinin boya duyarlı güneş hücrelerinde uygulamaları
Applications of D-π-A-π-A quinoline compounds for dyesensitized solar cells
SAADET SEVİNDİK
- Donör-π-akseptör tipi boyar maddeler ile hassaslaştırılmış TiO2 ve yardımcı katalizör olarak alaşım metal sülfürlerin kullanımı ile hidrojen üretimi
Hydrogen evolution by using TiO2 sensitized by donor-π-acceptor type dyes and alloyed metal sulfides as co-catalyst
EMRE ASLAN
- A 432 MHZ class-d power amplifier with 60%power efficiency for wireless capsule endoscopy
Kablosuz kapsül endoskopi için %60 verimli432 MHZ d-sinifi güç kuvvetlendiricisi
FERHAT ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- Kelebek tipi organik elektrolüminesant diyotların tasarımı ve elektronik özelliklerinin incelenmesi
Design and investigation of the electronic properties of butterfly type organic electroluminsent diodes
TAMER YAYCI
