Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
467155		An investigation into polymer-based photovoltaic fiber structures / Polimer esaslı fotovoltaik lif yapılarının araştırılması Yazar:İSMAİL BORAZAN Danışman: PROF. DR. ALİ DEMİR ; DOÇ. DR. AYŞE BEDELOĞLU Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering Dizin:	Onaylandı Doktora İngilizce 2017 184 s.
Enerji ihtiyacı artan nüfus ve teknolojinin gelişmesi ile günden güne artmaktadır. Geleneksel enerji kaynaklarının giderek azalması ve artan küresel ısınma tehdidi ile alternatif enerji kaynakları araştırmacıların ilgisini çekmekte ve bu konudaki bilimsel araştırmalar giderek hız kazanmaktadır. Fotovoltaik teknolojisi, hiçbir maliyeti bulunmayan ve bolca mevcut olan güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretebilmeyi mümkün kılmaktadır. Organik fotovoltaikler, diğer fotovoltaik teknolojilere göre çözelti esaslı üretim teknikleri, düşük sıcaklıkta proses edilebilme ve dolayısıyla düşük maliyetli üretim, (esnek) tekstil yüzeylerinde elde edilebilme avantajlarına sahiptir. Fotovoltaik tekstiller, askeri, açık hava etkinlikleri, elektrik kaynağından uzak yerlerde güç ihtiyacı uygulamalarını karşılayabilme potansiyeli ile akıllı tekstiller arasında büyük ilgi toplamaktadır. Bu tezde çalışılmış olan fotovoltaik liflerin geliştirilmesi ile, dokuma, örme gibi yapılara sahip istenilen tekstil yüzeylerinde fotovoltaik etki elde etmek kolaylaşacaktır. Literatürdeki fotovoltaik lifler konusundaki çalışmaların büyük çoğunluğunu boya esaslı güneş pilleri ve perovskit esaslı güneş pilleri ile yapılan çalışmalar oluşturmaktadır. Toksik malzemelerin kullanılması, kullanılan malzemelerin kırılgan yapıya sahip olması, yüksek sıcaklık, vakum ortamı, gibi ağır işlem koşulları bu teknolojilerin tekstil yüzeylerinde kullanımını sınırlandırmaktadır. Bu yüzden, bu doktora tezi kapsamında çalışmasında esnek yüzeylerde çalışabilmeye olanak sağlayan, düşük maliyetli malzeme ve proses şartları, kolay üretim teknikleri gibi avantajlara sahip olan polimer malzemelerle yapılan organik güneş pili esaslı fotovoltaik lıf yapıları çalışılmıştır. Bu tez çalışmasında, çeşitli organik güneş pili yapıları kullanılarak fotovoltaik lifler deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaçla, çeşitli üretim teknikleri (dönel kaplama, sprey kaplama, ve daldırma yöntemleri), çeşitli fotovoltaik yapılar (standart ve tersinir organik güneş pilleri, çok eklemli organik güneş pili yapısı), alternatif şeffaf elektrotlar (iletken polimer (PEDOT:PSS), gümüş nanotel, karbon nanotüp), Çeşitli fotoaktif polimerler kullanılarak (P3HT, MDMO-PPV, PBDTTT-CF, PTB7, PCPDTBT, PCDTBT, PCBM) organik güneş pili yapıları, çeşitli tekstil yapıları üzerinde organik güneş pili yapıları (metalik ve metalik olmayan/polimer esaslı lifler, ve metalik kumaşlar), çeşitli fotoaktif polimerler ve kombinasyonları, şerit şeklinde esnek fotovoltaik yapılar, organik-inorganik hibrit güneş pili yapıları ve polimer esaslı fotovoltaik liflerin açık hava ve asal (inert) gaz ortamı (azot gazında) fotovoltaik performansları incelenmiştir. 1-6 saat (kısa dönem) ve 1-7 gün (uzun dönem) zaman periyotlarında açık hava ve azot gazı ortamındaki ömürleri test edilmiştir. Bu çalışma kapsamında incelenen dar ve geniş bant aralıklı çeşitli fotoaktif (P3HT, MDMO-PPV, PBDTTT-CF, PTB7, PCPDTBT, PCDTBT, PCBM) polimerlerin kullanıldığı, çeşitli transparan elektrot çalışmaları (CNT, Ag NW, PEDOT:PSS) ile elde edilen, hibrit ve tandem güneş pili yapılarından, geleneksel polimer esaslı tekstil (PA) lifi, metal tel ve metal telden dokunmuş kumaş üzerinde elde edilen fotovoltaik güneş pili yapılarından ve polimer esaslı fotovoltaik lif yapılarının atmosfer ve inert (azot) gaz ortamında stabilite teslerinden elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir: Sprey kaplama ile üretilen organik güneş pillerinde (nm=30, nw=14) elde edilen 9,53 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,5 V açık devre voltajı (Voc), % 32 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 1,55 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) hesaplanırken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 0,95 (ηmean) ve standart sapması (SD) 0,36 olarak hesaplanmıştır. Tersinir organik güneş pillerinde (nm=30, nw=8) elde edilen 8,11 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,601 V açık devre voltajı (Voc), % 35 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 1,7 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) hesaplanırken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 1,01 (ηmean) ve standart sapması (SD) 0,52 olarak hesaplanmıştır. Gümüş nanotellerin anot olarak kullanıldığı organik güneş pillerinde (nm=30, nw=9) elde edilen 3,25 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,518 V açık devre voltajı (Voc), % 37 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 0,59 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) elde edilirken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 0.49 (ηmean) ve standart sapması (SD) 0,13 olarak hesaplanmıştır. Karbon nanotüplerin anot olarak kullanıldığı organik güneş pillerinde (nm=30, nw=5) elde edilen 3.2 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,518 V açık devre voltajı (Voc), % 35 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 0,52 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) elde edilirken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 0,37 (ηmean) ve standart sapması (SD) 0,15 olarak hesaplanmıştır. PEDOT:PSS iletken polimerinin modifiye edilerek transparan elektrot olarak kullanıldığı organik güneş pili yapılarında (nm=30, nw=8) elde edilen 8.2 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,632 V açık devre voltajı (Voc), % 36 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 1,87 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) hesaplanırken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 0,95 (ηmean) ve standart sapması (SD) 0,32 olarak hesaplanmıştır. Düşük bant aralıklı fotoaktif polimerlerle yapılan organik güneş pillerinde (nm=30, nw=8) elde edilen 18.5 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,68 V açık devre voltajı (Voc), % 33 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 4,1 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) hesaplanırken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 1,9 (ηmean) ve standart sapması (SD) 1,2 olarak hesaplanmıştır. Çok eklemli organik güneş pillerinde (nm=30, nw=7) elde edilen 0,238 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,706 V açık devre voltajı (Voc), % 15 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 0,03 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) hesaplanırken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 0,07 (ηmean) ve standart sapması (SD) 0,008 olarak hesaplanmıştır. Organik-inorganik hibrit yapılı güneş pillerinde (nm=30, nw=8) elde edilen 18,9 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,63 V açık devre voltajı (Voc), % 48 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 5,72 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) hesaplanırken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 2,84 (ηmean) ve standart sapması (SD) 1,5 olarak hesaplanmıştır. Şerit şeklinde esnek yüzeylerde yapılan organik güneş pillerinde (nm=30, nw=21) elde edilen 7 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,632 V açık devre voltajı (Voc), % 48 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 2,17 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) hesaplanırken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 2,17 (ηmean) ve standart sapması (SD) 0,43 olarak hesaplanmıştır. Metal tel ile dokunmuş paslanmaz çelik kumaşlar üzerinde yapılan organik güneş pillerinde (nm=20, nw=9) elde edilen 1,44 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,296 V açık devre voltajı (Voc), % 16 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 0,69 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) hesaplanırken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 0,06 (ηmean) ve standart sapması (SD) 0,11 olarak hesaplanmıştır. Polimer esaslı fotovoltaik liflerinde (nm=30, nw=14) elde edilen 9,4 mA/cm2 akım yoğunluğu (Jsc), 0,53 V açık devre voltajı (Voc), % 40 dolum faktörü (FF) ile en yüksek % 2,01 güç dönüşüm verimi (PCE) (ηbest) hesaplanırken, aynı deney grubunun ortalama güç dönüşüm verimi % 0,76 (ηmean) ve standart sapması (SD) 0,51 olarak hesaplanmıştır. P3HT ve düşük bant aralıklı polimerlerle elde edilen fotovoltaik lifler azot ortamında yedinci günün sonunda ilk güç dönüşüm güç dönüşüm veriminin % 55 ini korumaya devam ederken, açık havadaki numuneler yedinci günün sonunda fotovoltaik özelliklerini kaybetmişlerdir. Yukarıda anlatılan fotovoltaik sonuçları genel fotovoltaik teknolojilerine nazaran her ne kadar düşük görünse de, organik malzemeler kullanılarak lif üzerine ve tekstil yapılarına uygulabilirlikleri avantajından dolayı büyük öneme sahiptirler. Çalışmanın son aşaması olan organik malzemeler kullanılarak elde edilen fotovoltaik lif yapılarının stabilite testleri deneysel olarak incelenmiş ve yorumlanmıştır. Bu tez çalışmasında elde edilen fotovoltaik lifler kullanılarak, fotovoltaik yapıyı koruyan bir tabaka ile kaplanarak ve iyileştirmelerle dokuma ya da örme tekstil yapılarına dönüştürülerek taşınabilir elektronik cihazlar için gerekli güç üretilebilir.
Energy demand is increasing day by day for the countries with the developing technology and rising population. Due to diminishing conventional energy sources and increasing global warming threat that they caused, studies on alternative energies have accelerated in recent years. Photovoltaic technology is a way to generate electricity from abundant and free solar energy. Among the other photovoltaics, the organic solar cells have many advantages such as the processability with solution-based production techniques, low temperature processing resulting in low-cost producibility, flexibility that enables the OSCs to be applicable on flexible surfaces, roll-to-roll production. Photovoltaic textiles have attracted great attention among the smart textiles with the potential applications in military, outdoor activities, and other off-grid applications for powering portable electronic devices. By the development of the photovoltaic fibers, any kind of textile structure such as woven, knitted fabrics can be produced in a desired way. The majority of the studies about photovoltaic fibers are with dye sensitized and perovskite based materials. However, toxicity, rigidness, and stiff process parameters are still limiting factors for dye sensitized and especially stability for perovskite solar cells as photovoltaic textiles. Therefore, photovoltaic fibers based on organic solar cells which allow flexible product, low-cost, and easy production processes are studied in this thesis. In this thesis, the structure of polymer-based photovoltaic fibers are studied. The effect of different photoactive polymers (P3HT, MDMO-PPV, PBDTTT-CF, PTB7, PCPDTBT, PCDTBT, PCBM), different deposition techniques (spray-coating, spin-coating, vacuum evaporation), alternative electrodes (Ag NW, CNT, modified PEDOT:PSS (PH 1000)), different solar cell structures(standard, inverted, tandem, hybrid), as well as non-metallic and metallic substrate on performance of photovoltaic fibers were investigated. The stability is an important issue that should be considered for organic photovoltaics with the current organic materials that can be degradable with environmental conditions such as oxygen and humidity. Therefore, stability tests of photovoltaic fibers were performed by fabricating organic photovoltaic fibers with conventional and low bandgap polymers and taking photoelectrical measurements in the following periods: 1st-6th hours and 1st-7th days. Atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) characterisations of the thin films were carried out for the surface morphology and roughness. X-ray diffraction (XRD) of the inorganic materials were carried out to analyse the synthesized materials. Transmittance, absorbance, and reflectance characterisations of the photoactive layers were carried out for characterisation of optical properties. Throughout this work, PV structures with different photoactive polymers (P3HT, MDMO-PPV, PBDTTT-CF, PTB7, PCPDTBT, PCDTBT, PCBM), different deposition techniques (spray-coating, spin-coating, vacuum evaporation), alternative electrodes (Ag NW, CNT, modified PEDOT:PSS (PH 1000)), different solar cell structures(standard, inverted, tandem, hybrid), as well as non-metallic and metallic fibers and metallic fabrics on performance of photovoltaic fibers have been constructed and characterised. These structures have given the following PV performances: The organic standard solar cells manufactured with spray-coating technique (nm=30, nw=14) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 1.55 % which is calculated from a measured short circuit current density (Jsc) of 9.53 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.5 V and a calculated fill factor (FF) of 0.32. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this experimental group have been calculated as 0.95 % and 0.36, respectively. The organic inverted type of solar cells produced with spin-coating technique (nm=30, nw=8) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 1.01 % which is emanating from a measured short circuit current density (Jsc) of 8.11 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.601 V and a calculated fill factor (FF) of 0.35. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this investigational group have been calculated as 1.7 % and 0.52, respectively. The organic solar cells prepared with a silver nanowire anode (nm=30, nw=9) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 0.59 % which is resulting from a measured short circuit current density (Jsc) of 3.25 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.518 V and a calculated fill factor (FF) of 0.37. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this studied group have been calculated as 0.49 % and 0.13, respectively. The organic solar cells fabricated with a carbon nanotube anode (nm=30, nw=8) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 0.52 % which is arising from a measured short circuit current density (Jsc) of 2.85 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.518 V and a calculated fill factor (FF) of 0.35. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this investigated group have been calculated as 0.37 % and 0.15, respectively. The organic solar cells prepared with a conductive polymer (PEDOT:PSS (PH 1000)) anode (nm=30, nw=15) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 1.87 % which is calculated from a measured short circuit current density (Jsc) of 8.2 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.632 V and a calculated fill factor (FF) of 0.36. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this experimental group have been calculated as 0.85 % and 0.32, respectively. The organic solar cells produced with a low band gap polymer (nm=50, nw=30) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 4.1 % which is emanating from a measured short circuit current density (Jsc) of 18.5 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.68 V and a calculated fill factor (FF) of 0.33. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this experimental group have been calculated as 1.9 % and 1.2, respectively. The organic tandem solar cells (nm=30, nw=7) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 0.03 % which is arising from a measured short circuit current density (Jsc) of 0.238 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.706 V and a calculated fill factor (FF) of 0.15. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this investigational group have been calculated as 0.07 % and 0.008, respectively. The hybrid solar cells (nm=50, nw=30) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 5.72 % which is resulting from a measured short circuit current density (Jsc) of 18.9 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.63 V and a calculated fill factor (FF) of 0.48. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this studied group have been calculated as 2.84 % and 1.5, respectively. The stripe-shaped organic solar cells (nm=30, nw=21) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 2.71 % which is arising from a measured short circuit current density (Jsc) of 7 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.632 V and a calculated fill factor (FF) of 0.48. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this investigated group have been calculated as 0.96 % and 0.43, respectively. The organic solar cells manufactured with an SS woven metallic fabric (nm=20, nw=9) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 0.69 % which is calculated from a measured short circuit current density (Jsc) of 1.44 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.296 V and a calculated fill factor (FF) of 0.16. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this experimental group have been calculated as 0.06 % and 0.11, respectively. The organic fiber-shaped solar cells (nm=30, nw=14) had the best power conversion efficiency (PCE) (ηbest) of 2.01 % which is emanating from a measured short circuit current density (Jsc) of 9.4 mA/cm2, a measured open circuit voltage (Voc) of 0.53 V and a calculated fill factor (FF) of 0.40. The mean efficiency (ηmean) and the standard deviation (SD) of the working solar cells of this investigational group have been calculated as 0.76 % and 0.51, respectively. Although the above PV performance results may appear to be little in comparison to conventional PV technologies, these results are highly valuable as they are mainly constructed with organic materials suitable for fiber and textile uses. As the last part of the work, the stability of PV structures using organic materials have also been experimentally investigated. The efficiency of the organic photovoltaic fibers in inert atmosphere maintained about 55 % of the initial value at the end of the 7th day, while the efficiency of the photovoltaic fibers in the ambient air was almost zero at the end of the test. PV fibers fabricated in this thesis may be woven or knitted into textile structures to power the portable device in off-grid situations with further improvements.