Geri Dön

Fotovoltaik uygulamalar için yeni triazatruksen türevi elektron donör moleküllerin sentezi, fotofiziksel ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi

Syntesis of new triazatruxene derivative electron donor molecules and investigation of their photophysical and electrochemical properties for photovoltaic applications

PDF İndir

  1. Tez No: 987735
  2. Yazar: TAMER YEŞİL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CEYLAN ZAFER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Enerji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Chemistry, Energy, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Ege Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Teknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Günümüzde en yaygın ve sürdürülebilir olarak ulaşılan yenilenebilir enerji kaynaklarından biri güneştir ve bu kaynağı kullanarak enerji üretiminde kullanılan yeni nesil güneş hücrelerinden birinin temelini Perovskit oluşturmaktadır. Ucuz olması ve kolay üretilebilir olması, bu tip yeni nesil güneş hücrelerinin kısa sürede yaygınlaşmasını sağlamış ve bilimsel çalışmaların üzerinde yoğunlaştığı bir alan haline gelmiştir. Perovskit güneş hücrelerinin üretilmesinde en yaygın olarak kullanılan ve boşluk taşıyıcı bir organik moleküllerden (HTM) bir tanesi Spiro-OMeTAD'dır. Bu molekülün sentezlenmesi göreceli olarak zordur ve karmaşık saflandırma aşamaları içermektedir. Bunun yanında katkılanmadığı taktirde elektriksel iletkenliği ve boşluk mobilitesi değerleri düşüktür. Bu neden ile perovskit güneş hücreleri için kolay yollar ile sentezlenebilen, ucuz ve karmaşık saflandırma basamakları içermeyen yeni organik HTM'lerin sentezlenmesi oldukça önemli bir çalışma alanıdır. Bu tez çalışması kapsamında, Spiro-OMeTAD molekülüne alternatif olarak yeni triazatruksen türevi HTM'ler tasarlanmıştır. Ön tasarım aşamasının ardından oksindol başlangıç molekülünden yola çıkılarak TAT-TY1, TAT-TY2, TAT-TY3 ve TAT-TY4 kodlu 4 adet donör organik molekül sentezlenmiştir ve molekül yapısı ile performansları arasındaki ilişkinin anlaşılabilmesi için merkez triazatruksen molekülü referans olarak kullanılmıştır. Sentezlenen moleküller basit saflandırma teknikleri (kolon kromatografisi) kullanılarak saflandırılmış ve yapıları Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (NMR) ve Kütle Spektroskopisi (MASS) kullanılarak doğrulanmıştır. Yapılan fotofiziksel ve elektrokimyasal çalışmalar sonucunda moleküllerin görünür bölge ışığını absorplamadığı, en yüksek dolu moleküler orbital (HOMO) ve en düşük dolu olmayan moleküler orbital (LUMO) enerji seviyelerinin, Perovskit malzemesinin enerji seviyeleri ile uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. Fotolüminesans spektroskopisi (PL) çalışmaları sonucunda sentezlenen HTM'ler ile perovskit arasında verimli bir boşluk transferi gerçekleştiği anlaşılmıştır. Hole-only aygıt sonuçlarına göre TAT-TY1 ve TAT-TY2 moleküllerinin boşluk mobiliteleri, Spiro-OMeTAD molekülünün boşluk mobilitesi ile aynı değerde olduğu gözlemlenmiştir. Bu sonuç ile orantılı olarak moleküllerin ince film iletkenlikleri ise referans ile karşılaştırılabilir seviyede ölçülmüştür. Moleküllerin ince film fazındaki düzenleri ve kristal yapıları hakkında bilgi edinebilmek için X-Işınları Difraktometresi (XRD) kullanılmış ve moleküllerin ince film fazında amorf bir yapı gösterdiği anlaşılmıştır. İnce film yüzeyleri Atomik Kuvvet Mikroskopu (AFM) ve Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Yapılan tüm morfolojik çalışmalar sonucunda sentezlenen HTM'lerin düzenli ve pürüzsüz bir ince film oluşturabildiği tespit edilmiştir. Moleküllere ait termal özellikler ise Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ve Termogravimetrik Analiz (TGA) yöntemleri kullanılarak araştırılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda moleküllerin amorf özellik gösterdiği anlaşılmıştır ve bu sonuçlar ile XRD sonuçlarının birbirini doğruladığı gözlemlenmiştir. Ek olarak HTM'lerin yüksek sıcaklılara kadar termal kararlılığını koruduğu gözlemlenmiştir. Tezin 2. Basamağını oluşturan aşamada ise TAT-TY3 ve TAT-TY4 isimli birbirinin yapısal izomeri olan iki molekül sentezlenmiştir. Bu moleküllerde triazatruksen, karbazol köprüsüne 2,7- ve 3,6- konumlarından bağlanmış ve konjugasyon yolunun değişmesine bağlı olarak elektrokimyasal ve fotofiziksel özelliklerdeki değişim araştırılmıştır. 2,7- izomerindeki konjugasyon yolunun daha doğrusal olması, triazatruksen molekülündeki ortaklaşılmamış elektron çiftlerinin moleküler yapıya daha etkin bir şekilde katılmasına neden olmuştur. Buna bağlı olarak n-π* enerji geçişlerinin şiddeti artmış ve 3-6- izomerine kıyasla moleküler absorpsiyon kırmızıya kaymış ve optik band boşluğu TAT-TY4 molekülünde 3.2 eV olarak hesaplanırken TAT-TY3 için 3.0 eV olarak hesaplanmıştır. Diğer bir farklanma ise elektrokimyasal özelliklerde ortaya çıkmıştır. TAT-TY3 ve TAT-TY4 moleküllerinin HOMO enerji seviyesi -5.02 eV ve -4.67 eV olarak hesaplanmıştır. Perovskit arayüzeyi ve HTM'ler arasında gerçekleşen yük transferi, durağan hal ve zamana bağlı olarak PL kullanılarak incelendiğinde ise Perovskit/TAT-TY3 arasında daha etkin bir yük transferi gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Bunun nedeni ise molekülün HOMO enerji seviyesinin perovskit ile daha uyumlu olmasından kaynaklandığı anlaşılmıştır. İzomerlerin diğer bir farklılığı ise DSC çalışmaları sonucunda ortaya çıkmıştır. TAT-TY4 molekülü daha kristal bir yapı gösterirken TAT-TY3 molekülünün amorf olduğu anlaşılmıştır. TAT-TY3 ve TAT-TY4 moleküllerinin boşluk mobiliteleri ise sırasıyla 2.55x10-3 ve 2.36x10-4 cm2V-1s-1 olarak ölçülmüştür. TAT-TY3 molekülünün boşluk mobilitesinin daha yüksek ölçülmesi, yapılan PL çalışmaları ile uyumlu olup perovskite katmanı ile daha uygun HOMO enerjisine sahip olmasının bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır. Son olarak sentezlenen ve karakterize edilen HTM'lerin uygulamaları üçlü-katyon perovskit güneş hücrelerindeki uygulamaları başarıyla tamamlanmıştır. Elde edilen sonuçlar Spiro-OMeTAD ile karşılaştırılabilir seviyede olup TAT-TY1, TAT-TY2, TAT-TY3 ve TAT-TY4 ile yapılan uygulamalarda sırasıyla 17,5 16,5 16,2 ve 9,0 güç dönüşüm verimliliği (PCE) elde edilmiştir.

Özet (Çeviri)

One of the most widely and sustainably reached renewable energy sources today is the sun, and perovskite forms the basis of one of the new generation solar cells used in energy production using this source. Being cheap and easy to produce, this type of new-generation solar cell has become widespread in a short time and has become an area on which scientific studies are concentrated. One of the most widely used hole-transporting organic molecules (HTM) in the production of perovskite solar cells is Spiro-OMeTAD. The synthesis of this molecule is relatively difficult and involves complex purification steps. In addition, if it is not doped, its electrical conductivity and hole mobility values are low. For this reason, the synthesis of new organic HTMs, which can be synthesized easily in perovskite solar cells, inexpensive and without complex purification steps, is a very important field of scientific study. Within the scope of this thesis, new triazatruksen derivative HTMs were designed as an alternative to the Spiro-OMeTAD molecule. After the preliminary molecular design phase, four donor organic molecules, coded TAT-TY1, TAT-TY2, TAT-TY3 and TAT-TY4, were synthesized starting from the oxindole starting molecule and the central triazatruxene molecule was used as a reference in order to understand the relationship between molecular structure and performance. The synthesized molecules were purified using simple purification techniques (column chromatography), and their structures were confirmed using nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and mass spectroscopy (MASS). As a result of the photophysical and electrochemical studies, it was determined that the molecules did not absorb the visible region of light and that the energy levels of the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) were in harmony with the energy levels of the perovskite material. As a result of photoluminescence spectroscopy (PL) studies, it was understood that an efficient charge transfer occurred between the synthesized HTMs and perovskite. According to the hole-only device results, the hole mobility of TAT-TY1 and TAT-TY2 molecules was calculated to be the same as the hole mobility of the Spiro-OMeTAD molecule. In proportion to this result, the thin film conductivities of the molecules were measured at a level comparable to the reference. In order to obtain information about the arrangement and crystal structures of the molecules in the thin film phase, X-ray diffractometry (XRD) was used, and it was understood that the molecules showed an amorphous structure in the thin film phase. In order to obtain more information about surface morphology, an atomic force microscope (AFM) and a scanning electron microscope (SEM) were used, and surface images were obtained. As a result of all the morphological studies, it was determined that the synthesized HTMs could form a pin-hole-free and smooth thin film. Thermal properties corresponding to HTMS were studied using differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). As a result of these studies, it was understood that the molecules showed amorphous properties, and it was observed that these results and XRD results confirmed each other. In addition, it has been observed that HTMs maintain their thermal stability even at high temperatures. In the second step of the thesis, two molecules named TAT-TY3 and TAT-TY4, which are structural isomers of each other, were synthesized. In these molecules, triazatruzen is attached to the carbazole bridge at positions 2,7- and 3,6-, and changes in electrochemical and photophysical properties were investigated depending on the change in conjugation pathways. The more linear conjugation pathway in the 2,7- isomer has led to a more effective participation of the unshared electron pairs in the molecular structure of the triazatruzen molecule. Consequently, the intensity of n-π* energy transitions increased, resulting in a redshift of the molecular absorption compared to the 3,6- isomer, and the optical band gap was calculated as 3.2 eV for the TAT-TY4 molecule, while it was calculated as 3.0 eV for the TAT-TY3. Another difference is observed in the electrochemical properties. The HOMO energy levels of TAT-TY3 and TAT-TY4 molecules were calculated as -5.02 eV and -4.67 eV, respectively. When the charge transfer occurring between the perovskite interface and the HTMs was examined using PL in both steady-state and time-dependent states, more efficient charge transfer was observed between perovskite and TAT-TY3. This is attributed to the better compatibility of the molecule's HOMO energy level with perovskite. Another difference between the isomers is revealed through DSC studies. While the TAT-TY4 molecule exhibits a more crystalline structure, it was determined that the TAT-TY3 molecule is amorphous. The charge mobilities of TAT-TY3 and TAT-TY4 molecules were measured as 2.55x10-3 and 2.36x10-4 cm2V-1s-1, respectively. The higher charge mobility of the TAT-TY3 molecule is in line with the PL studies and is a result of its better compatibility with the perovskite layer due to its suitable HOMO energy level. Finally, the photovoltaic applications of the synthesized and characterized HTMs in triple-cation perovskite solar cells have been successfully completed. The results obtained are comparable to those of Spiro-OMeTAD, with power conversion efficiency (PCE) of 17.5, 16.5, 16.2 and 9.0, respectively, in applications with TAT-TY1, TAT-TY2, TAT-TY3 and TAT-TY4.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    542602

    Fotovoltaik uygulamalar için yeni ftalosiyanin türevleri

    New phthalocyanine derivatives for photovoltaic applications

    TUNCAY İNCE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    KimyaMersin Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MİNE İNCE OCAKOĞLU

  2. Tez No

    581056

    Development of novel donor and acceptor sam molecules for photovoltaic applications

    Fotovoltaik uygulamalar için yeni nesil donör ve akseptör kendiliğinden organize tek katman moleküllerin geliştirilmesi

    EMRE ARKAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Kimyaİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERAFETTİN DEMİÇ

  3. Tez No

    586790

    New micro-inverter for photovoltaic applications

    Fotovoltaik uygulamalar için yeni mikro invertör

    MURTALA ABDULMUMİNİ RAFİNDADİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Aydın Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURTAZA FARSADI

  4. Tez No

    608919

    New quinoxaline and selenophene based benzodithiophene bearing conjugated polymers for photovoltaic applications

    Fotovoltaik uygulamalar için yeni kinoksalin ve selenofen bazlı benzoditiyofen içeren konjüge polimerler

    MERİÇ ÇALIŞKAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ ÇIRPAN

  5. Tez No

    478507

    Fotovoltaik uygulamalar için yüksek frekans transformatörlü DA-DA çevirgeç tasarımı ve gerçekleştirilmesi

    Design and implementation of a high frequency transformer linked DC-DC converter for photovoltaic applications

    POLAT POŞPOŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. IŞIK ÇADIRCI

Geri Dön