Design and synthesis of phenylethylammonium-based salts for interface engineering in perovskite solar cells
Perovskit güneş pillerinin arayüzey mühendisliği için feniletilamonyum bazlı tuzların tasarımı ve sentezi
- Tez No: 992954
- Danışmanlar: PROF. DR. EMRULLAH GÖRKEM GÜNBAŞ, DR. FİGEN VARLIOĞLU YAYLALI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Hızla gelişen yenilenebilir enerji alanında, perovskit güneş pilleri (PSC'ler), düşük maliyetleri ve çok yönlülükleri nedeniyle önde gelen adaylardan biri olarak ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, bu cihazların uzun vadeli kararlılığını sağlamak, ticarileştirilmelerini engelleyen kritik bir zorluk olmaya devam etmektedir. Bunu ele almak için, 2D/3D heteroyapıların oluşturulması yoluyla arayüz mühendisliği, yaygın olarak araştırılmaktadır. Bu çalışmada, ters çevrilmiş (p-i-n) PSC'lerde arayüz pasivasyonunu gerçekleştirmek için 26 feniletilamonyum (PEA) bazlı tuzdan oluşan kapsamlı bir moleküler kütüphane tasarlanmış ve başarıyla sentezlenmiştir. Henry reaksiyon adımı için yeni bir“Yeşil Kimya”protokolü geliştirilmiş ve optimize edilmiştir. Klasik katalitik sistemin belirli bir baz/asit kombinasyonu ile değiştirilmesiyle, nitrometan gibi toksik reaktiflerin tüketimi 30 eşdeğerden 1,5 eşdeğere önemli ölçüde azaltılmış ve reaksiyon süreleri 2,5 kat kısaltılarak verimden ödün vermeden önemli ölçüde atık azaltımı sağlanmıştır. Yapısal doğrulama için, her sentez aşamasında NMR spektroskopisi uygulanmıştır. Sentezi takiben, yüksek saflığı sağlamak için kromatografi ve yeniden kristalleştirme teknikleri de dahil olmak üzere titiz saflaştırma prosedürleri kullanılmıştır. Son tuz yapıları, literatürde ilk kez 11 yeni türevin başarılı bir şekilde sentezlendiğini kanıtlayan HRMS ile daha da doğrulanmıştır. Kütüphane, metoksi (-OMe) ve tiyometil (-SMe) gibi elektron-verici grupları (EDG) ve triflorometil (-CF3) ve naftalen diimid (NDI) gibi elektron-çekici grupları (EWG) içermektedir. Analizler, -SMe gruplarının, koordine olamamış Pb2+ kusurlarıyla güçlü koordinasyon yaparak üstün kimyasal pasivasyon sağladığını, florlu -CF3 gruplarının ise hidrofobik bir karakter kazandırarak perovskit yüzeyini nemden etkili bir şekilde koruduğunu ortaya koymuştur. Farklı cihaz mimarilerinde, X-EDG-PEAI tuzları HTL arayüzüne, X-EWG-PEAI tuzları ise ETL arayüzüne uygulanmıştır. p-SMe-PEAI kullanan cihaz, %20,72'lik bir PCE değeri elde ederek performansta kayda değer bir iyileşme göstermiştir. -CF3 ikame edilmiş tuzlar için de kararlılık testleri yapılmıştır. Referans cihazın test süresi boyunca başlangıç verimliliğinin %50'sini kaybederken, pasivasyon uygulanmış cihazların dayanıklılık sergilediği gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar, rasyonel moleküler tasarım ve arayüz mühendisliğinin PSC'lerin verimliliğini ve kararlılığını önemli ölçüde artırdığını açıkça göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In the rapidly developing field of renewable energy, perovskite solar cells (PSCs) have emerged as a leading candidate due to their low cost and versatility. However, ensuring the long-term stability of these devices remains a significant challenge that hinders their commercialization. To address this, interface engineering through the creation of 2D/3D heterostructures is being widely investigated. In this study, a comprehensive molecular library consisting of 26 phenylethylammonium (PEA)-based salts was designed and successfully synthesized to achieve interface passivation in inverted (p-i-n) PSCs. A novel“Green Chemistry”protocol was developed and optimized for the Henry reaction step. By replacing the classical catalytic system with a specific base/acid combination, the consumption of toxic reagents such as nitromethane was significantly reduced from 30 equivalents to 1.5 equivalents, and reaction times were shortened by 2.5 times, resulting in significant waste reduction without sacrificing efficiency. For structural validation, NMR spectroscopy was applied at each synthesis step. Following synthesis, rigorous purification procedures, including chromatography and recrystallization techniques, were employed to ensure high purity. The final salt structures were further validated by HRMS, proving the successful synthesis of 11 novel derivatives for the first time in the literature. The library includes electron-donating groups (EDG) such as methoxy (-OMe) and thiomethyl (-SMe), and electron-withdrawing groups (EWG) such as trifluoromethyl (-CF3) and naphthalene diimide (NDI). Analyses revealed that -SMe groups provide superior chemical passivation by strongly coordinating with uncoordinated Pb2+ defects, while fluorinated -CF3 groups impart a hydrophobic character, effectively protecting the perovskite surface from moisture. In different device architectures, X-EDG-PEAI salts were applied to the HTL interface, and X-EWG-PEAI salts were applied to the ETL interface. The device using p-SMe-PEAI achieved a PCE value of 20.72%, demonstrating a significant performance improvement. Stability tests were also conducted for -CF3 substituted salts. While the reference device lost 50% of its initial efficiency during the test period, the passivated devices exhibited stability. These results clearly demonstrate that rational molecular design and interface engineering significantly improve the efficiency and stability of PSCs.
Benzer Tezler
- A systematic research on rational design and synthesis of innovative materials for developing high-performance perovskite solar cells
Yüksek performans perovskit güneş hücresi geliştirilmesi için yenilikçi malzemelerin mantıksal tasarımı ve sentezi üzerine sistematik bir araştırma
ALİEKBER KARABAĞ
Doktora
İngilizce
2023
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFen Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRULLAH GÖRKEM GÜNBAŞ
DOÇ. DR. SAFACAN KÖLEMEN
- Anyon ve katyon tanımada kullanmak üzere mikrodalga koşullarında bir seri yeni tripodal reseptör'ün sentezi ve uygulamaları
Synthesis and applications of a series of new tripodal receptors under microwave conditions to be used for anion and cation recognation
SEVİL ŞEKER AZİZOĞLU
- Boosting stability and efficiency in perovskite solar cells by utilization of passivators and organic charge carriers
Passivatorlar ve organik yük taşıyıcıların kullanımıyla perovskit güneş hücrelerinde stabilite ve verimliliğin artırılması
ZEYNEP GÖZÜKARA KARABAĞ
Doktora
İngilizce
2024
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMRULLAH GÖRKEM GÜNBAŞ
- Kuaterner amonyum tuzlarıyla NSAID'ların (Non Stereoidal Anti Inflamatory Drug) iyonik formülasyonlarının hazırlanması
Design and synthesis of ionic liquid formulation of NSAID (Non Stereoidal Anti̇ Inflamatory Drugs ) as a quaternary ammonium salts
MURAT EVCİL
- Design and synthesis of a novel fluorescent chemosensor for intracellular pH
Hücre içi pH'sı için yeni bir floresan moleküler algılayıcının tasarım ve sentezi
YASEMİN GÜLGÜN İŞGÖR
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
BiyokimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBiyokimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENGİN UMUT AKKAYA
