Perovskit Güneş Hücrelerinde Katkı Polimerler için Yapı-Aktivite İlişkisinin Aydınlatılması

Avrupa Yeşil Mutabakatı (EU Green Deal) çerçevesinde fotovoltaik (PV) teknolojilere olan destek ve araştırma gücü günümüzde hızla ivmelenmektedir. Bu kapsamda rağbet gören yeni nesil perovskit güneş hücreleri (PGH), yüksek verimlilikleri ve düşük maliyetli üretimleri sayesinde sektörü elinde tutan birinci nesil silikon bazlı PV teknolojisi ile hem rekabet edebilecek hem de birlikte çalışabilecek (ardışık dizilimli hücreler) bir potansiyele sahiptir. Perovskit kimyasal yapısı ABX3 olan bir polikristal yapıdır. Çözelti tabanlı ve/veya termal buharlaştırma yöntemleri ile çok katmanlı bir yapıda üretilen PGH, hem tamamıyla inorganik veya organik-inorganik melez yapıda olabilmektedir. Perovskit malzemesi ile güneş hücreleri ilk olarak 2009 yılında gerçekleştirilmiştir. Laboratuvar koşullarında elde edilen bu ilk hücrenin verimi %3,8 olarak kaydedilmiş ve günümüzde bu değer %25,5’e ulaşarak diğer tüm PV malzemelerinden daha hızlı artış göstermiştir. Ayrıca silikon bazlı güneş hücreleri ile ardışık dizilimli (tandem) yapıda panellere dönüştürülebilirler. Bu kapsamda PGH geleceğin PV teknolojiileri arasında görülmektedir. Yüksek verime sahip olan PGH’lerinnin ticarileşmesindeki en büyük sorun perovskit kristalinin doğal yapısından kaynaklı olan kararsızlıklar ve çevresel faktörlere karşı olan duyarlılığıdır. Nem ve ısı gibi faktörler altında perovskit kristal yapısı bozularak ve hücrenin çalışmaz hale gelmesine sebep olur. PGH’lerinin kararlılığını artırma ve uzun süre devamlılığını sağlamak için birçok yöntem önerilmiştir. Malzeme katkılı PGH literatürde en etkili yöntemlerden biri olarak görülmektedir.

PGH’lerinin performansı doğrudan üretilen perovskit filmin kalitesi ile ilişkilidir. Yüksek performansta çalışan bir PGH elde etmek için üretilen polikristal film tabakasının kusursuz olması beklenir. İğne deliği (pin-hole) olarak adlandırılan nano boyutlu devamsızlıklar ile polikristal yapıda bulunan ve komşu kristal kümeleri birbirinden ayıran sınırlar (grain boundary) üretim sırasında meydana gelen kusurlar olarak tanımlanır. Film oluşumu sırasında eklenen bir katkı maddesi ile oluşacak kusurlar minimize edilebilir ve polikristal film oluşumu daha kontrollü bir hale getirilebilir. Son yıllarda yapılan çalışmalarla uzun zincirli polimer yapıların katkı maddesi olarak kullanımının yüksek kalitede film eldesinde başarılı olduğu kanıtlanmıştır. Uzun zincirli ve makro yapılı polimerler, sahip olduğu heteroatom içerikli işlevsel gruplar sayesinde film oluşumu sırasında perovskit kimyasalları ile etkileşerek film büyümesinde etkin rol oynayabilirler. Kristal kümeleri birbirinden ayıran sınırların polimerler tarafından kaplı şekilde oluşmasıyla kararlılıkların kayda değer miktarda arttığı gösterilmiştir. Pozitif etkisi rapor edilen polimerler genellikle PEG, PS, PMMA, PU vb. gibi ticari polimerlerdir. Literatürdeki sonuçlar ise polimer katkılı ve katkısız PGH’lerinin karşılaştırılması ile sınırlıdır. Polimer ve perovskit malzemeleri arasındaki etkileşim ile daha kararlı aynı zamanda yüksek verimli hücrelerin eldesi arkasındaki mekanizma detaylı bir biçimde ele alınmamıştır. Ayrıca araştırma gruplarının çok azı kendi sentezledikleri polimerleri kullanarak PGH’ne olan etkilerini araştırmıştır. Literatür, katkı olarak eklenen polimerin yapısal özelliklerinin kristal oluşumuna etkisi ve dolayısıyla polimerin işlevsel grubunun PGH üretim reçetesine olan aktif etkisi bilinmemektedir.

Bu çalışmada farklı işlevsel gruplar içeren kopolimerler ve onların homopolimerleri Atom Transfer Radikal Polimerizasyonu (ATRP) ile sentezlenecektir. Böylece katkı malzemesinin yapı-aktivite ilişkisinin perovskit filmler üzerindeki etkisi gözlemlenerek yüksek verime sahip, kararlı PGH reçeteleri oluşturulacaktır. Literatür bilgisi büyük bir çoğunlukla elektron çifti içeren sülfür, oksijen ve nitrojen atomlarının perovskit kimyasalları ile etkileşimi sonucu kristal yapının ve film özelliklerinin iyileştiğinin gösterilmesi ile sınırlıdır ve yapı-aktivite ilişkisini ortaya koyan sistematik bir çalışma literatürde bulunmamaktadır. Az sayıda çalışmanın neredeyse tamamı homopolimerler üzerinedir ve kopolimerlerin etkisi neredeyse hiç incelenmemiştir. Ayrıca perovskit kristal yapısına doğrudan katılabilecek (ayıran sınırlarda) sarkan alkil amonyum ünitesi içeren polimer yapılarının literatürde hiç örneği bulunmamaktadır. Dolayısıyla,

• Spesifik heteroatom etkisi (oksijen ve/veya nitrojen içeren polimerlerin etkisi)

• Kopolimer kompozisyonun etkisi (monomer oranlarının değişimi)

• Kopolimer yapısının etkisi (rastgele, ardışık, blok, gradyan)

• Kopolimer molekül ağırlığının etkisi (homopolimerler için limitli çalışma mevcuttur)1,2

• Perovskit yapısına entegre olabilecek amonyum yan grupların etkisi, literatürde incelenmemiştir.

  Bütün bu etkiler özel olarak sistematik biçimde tasarlanan polimerlerin taranmasıyla ortaya konacaktır. Farklı tasarımların kristalizasyona etkisi SEM, XRD, FTIR, nano-FTIR, AFM, EDX, PL, UV spektroskopi yöntemleri ve gerçek- zamanlı mikroskop ile karakterize edilerek kristal film oluşumunun temelleri incelenecektir. Elde edilen sonuçlara göre polimer tasarımı ve film özellikleri (küme büyüklüğü, yüzey pürüzlülüğü, film devamlılığı, küme düzeni, küme büyüklük dağılımı) arasında neden-sonuç ilişkisine dayalı çok değerli bir bilgi birikimi oluşturulacaktır. Film özellikleri bakımından en umut verici olan polimer katkılı filmler güneş hücresine dönüştürülerek verimleri ve kararlılıkları test edilecektir. Sonuç olarak bu büyük bilgi birimi sayesinde literatüre bir dizi tasarım prensipleri kazandırılacak ve polimer katkılı perovskit hücrelerinde yüksek verim (>%22) ve yüksek kararlılık (>3000 saat) sağlamalarının önü açılacaktır.