P3HT:PCBM tabanlı güneş hücrelerinde grafen modifikasyonu
Graphene modıfıcatıon ın P3HT:PCBM-based solar cells
- Tez No: 984198
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KORALAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Yarı iletken güneş pili, Semiconductor solar cell
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Temiz ve sürdürülebilir enerjiye yönelik artan ihtiyaç, düşük maliyetli üretim yöntemleri ve ayarlanabilir optoelektronik özellikleri sayesinde organik güneş hücrelerini (OSC) öne çıkarmaktadır. Bu çalışmada, P3HT:PCBM tabanlı OSC'lerde PCBM kısmen grafen ile yer değiştirilmiş ve grafenin yapısal, optik ve elektriksel süreçlerdeki çok yönlü rolü incelenmiştir. Cihaz üretimi öncesinde aktif tabaka koşulları optimize edilmiş; 25 mg/ml yoğunluğa sahip, bir gece vakum altında bekletilerek çözücünün uçması ile kristalizasyon sağlanmış ve MoO₃ tabakası HTL olarak kullanılan numuneler en iyi performansı vermiştir. Bu koşullarda referans (PP) ve farklı grafen oranlarına sahip PPGα (α = 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20) olmak üzere toplam sekiz cihaz üretilmiştir. Yapısal analizler (XRD, XPS, AFM, FE-SEM), orta düzey katkılarda (PPG5, PPG10) kristallik artışı ve yük transferinin güçlendiğini; yüksek katkılarda ise yüzey bozulmalarının ve yığılmaların oluştuğunu göstermiştir. Optik karakterizasyonlar ışık soğurmanın arttığını, PL sönümlenmesi ile yeniden birleşmenin azaldığını ve eksiton ayrışmasının kolaylaştığını ortaya koymuştur. Bu sonuçlar elektriksel performans ile güçlü bir korelasyon göstermiştir. Referans PP cihazı %1,75 verimlilik sunarken, katkı oranı arttıkça verimlilik PPG10 numunesinde %3,75 ile zirveye ulaşmış, yani yaklaşık 2,2 kat artmıştır. Empedans spektroskopisi bu eğilimi desteklemiş; PPG5 ve PPG10 düşük seri direnç ve uzun taşıyıcı ömrü ile öne çıkarken, yüksek katkılar (PPG15, PPG20) artan direnç ve kısalan ömür ile yeniden birleşmenin baskın hale geldiğini göstermiştir. Fotodetektör parametreleri cihazlar arasındaki farkları netleştirmiştir: PPG5 en yüksek algılanabilirlik (9,11×10¹⁰ Jones), en hızlı tepki süreleri ve en güçlü lineer dinamik aralık (~97 dB) ile kararlılıkta öne çıkarken, PPG10 en yüksek verimliliği sağlamıştır. Genel olarak, grafenin yalnızca iletkenliği artıran bir katkı değil, optoelektronik süreçleri doğrudan şekillendiren işlevsel bir malzeme olduğu ortaya konmuştur. Optimum katkı aralığı PPG5 (en dengeli yapı) ile PPG10 (en yüksek verimlilik) arasında belirlenmiştir. Bu sonuçlar, grafenin OSC performansını ve işlevselliğini artırmadaki potansiyelini güçlü şekilde göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The increasing global demand for clean and sustainable energy has highlighted organic solar cells (OSCs) as promising candidates due to their low-cost fabrication and tuneable optoelectronic properties. In this study, P3HT:PCBM-based OSCs were modified by partially replacing PCBM with graphene to investigate the multifunctional role of graphene in structural, optical, and electrical processes. Prior to device fabrication, the active layer conditions were optimized, with the best performance obtained from films prepared at 25 mg/ml concentration, followed by overnight vacuum treatment for solvent-free crystallization and MoO₃ as the hole transport layer. A total of eight devices were produced, including the reference (PP) and PPGα (α = 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20) with varying graphene ratios. Structural analyses (XRD, XPS, AFM, FE-SEM) revealed improved crystallinity and charge transfer at moderate graphene concentrations (PPG5, PPG10), while higher loadings led to aggregation and morphological disorder. Optical characterizations demonstrated enhanced light absorption and photoluminescence (PL) quenching, confirming reduced recombination and facilitated exciton dissociation. These findings were strongly correlated with electrical performance. The reference device exhibited a power conversion efficiency (PCE) of 1.75%, which increased progressively with graphene addition, reaching a maximum of 3.75% for PPG10—approximately 2.2 times higher than the control. Impedance spectroscopy confirmed this trend, showing low series resistance and longer carrier lifetimes for PPG5 and PPG10, whereas higher concentrations (PPG15, PPG20) resulted in higher resistance and shorter lifetimes, consistent with recombination-dominated behaviour. Photodetector parameters further differentiated the devices: PPG5 exhibited the highest detectivity (9.11×10¹⁰ Jones), fastest response times, and strongest linear dynamic range (≈97 dB), indicating superior stability, while PPG10 delivered the highest efficiency. Overall, graphene was shown not merely as a conductive additive but as a functional material that directly modulates optoelectronic processes. The optimum contribution was achieved between PPG5 (most stable device) and PPG10 (highest efficiency), demonstrating the potential of graphene to enhance both performance and functionality in OSCs
Benzer Tezler
- Organik tabanlı güneş hücrelerinde kullanılabilecek ftalosiyaninlerin hesapsal olarak araştırılması, tasarımı ve sentezi
Design, computational screening and synthesis of novel phthalocyanines as organic based solar cell materials
MERAL ARI
- Muhtelif metal katkılı ve katkısız ZnO yapıların elektrokimyasal kaplama ile üretimi ve bu yapıların organik güneş hücrelerinde kullanımı
The production of pure and various doped ZnO structures by the electrochemical deposition technique and the use of these structures in organic solar cells
NAGİHAN UYANIK KÖSE
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SAİT EREN SAN
- Yarı iletken polimerlerden hazırlanan ince filmlerin elektriksel ve spektroskopik özelliklerinin incelenmesi ve organik güneş hücreleri
The electrical and spectroscopic properties of the prepared semiconductor thin films of polymers and organic solar cells
MEHMET SELİM AKTUNA
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ESRA ALVEROĞLU DURUCU
- Development of polymer based fibers with photovoltaic effect
Fotovoltaik etki oluşturan polimerik liflerin geliştirilmesi
KÜBRA İLGEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DEMİR
- Nano parçacıklarla katkılanmış mdmo-ppv ve p3ht tabanlı polimer güneş hücreleri
Nano Particles Doped MDMO-PPV and P3HT Based Polymer Solar Cells
ABUZER YAMAN
Doktora
Türkçe
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiYüzüncü Yıl ÜniversitesiFizik Bölümü
PROF. DR. ALİ İHSAN DEMİREL
PROF. DR. SAİT EREN SAN