Elektronik aygıtlar için n-tipi ve p-tipi Si yongaların üretilmesi karakterizasyonu ve uygulamaları
Production, characterization and applications of n-type and p-type Si wafers for electronic devices
Yazar: SAVAŞ ÖZTÜRK
Danışman: PROF. ERDAL ÇELİK
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Malzeme üretimi = Material production

Özet:
Bu tez çalışmasında, tek kavşaklı silisyum (Si) tabanlı güneş hücrelerinin üretimi ve karekterizasyon çalışmaları Si hammaddesinden nihai ürün elde edilme aşamasına kadar gerçekleştirilmiştir. Ayrıca kesme, lepleme ve tekstürleme çalışmalarında proses parametrelerinin, sonuçları nasıl etkilediğinin araştırılması amacıyla regresyon analizleri yapılmıştır. Ayrıca, kesme ile lepleme işlemlerinde yüzey pürüzlülüklerinin ve tekstürleme işleminde ise % R değerinin minimizasyonu için Diferansiyel Gelişim, Nelder-Mead, Rastgele Arama ve Benzetimli Tavlama Algoritmaları ile optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir.  Deneysel olarak, kesme işleminde tel besleme hızı 4 m/s ve kesme hızı 0,5 mm/dk parametreleri ile kesilen waferlarda en düşük yüzey pürüzlülüğü değerleri elde edilmiştir. Lepleme işleminde dönme hızı 50 devir/dk ve lepleme süresi 60 dk deneysel seti ile en ideal yüzey pürüzlülüğü değerleri elde edilmiştir. Tekstürleme çalışmalarında ise % 3,5 sodyum hidroksit - % 5 izopropanol çözeltisinde 40 dk süre tekstürlenmiş numunelerde en düşük reflektans değerleri elde edilmiştir. Tekstürleme işlemi sonrası p-n kavşağı oluşturma işleminde % 1 borik asit solüsyonu kullanılmış ve sonra Si yongalara İndiyum Kalay Oksit (İTO) ince filmi plazma destekli kimyasal/fiziksel buhar biriktirme sistemiyle kaplanmıştır. Son aşamada ise Si yongaların her iki yüzeyine akım toplayıcılar perde baskı cihazı ile biriktirilmiştir. Bu işlemler sonrasında güneş hücrelerinin akım-voltaj ölçümleri güneş simülatöründe gerçekleştirilmiş ve bütün güneş hücreleri için açık devre voltajı 494 mV, kısa devre akımı 13,95 mA, doluluk faktörü 80,1 ve verim 8,83 ortalama değerleri elde edilmiştir. Regresyon analizi çalışmalarında en yüksek R2 değerleri, ikinci dereceden nonlineer rasyonel modeller ile kesme ve lepleme çalışmalarında ve üçüncü dereceden nonlineer polinom model ile ise tekstürleme işleminde elde edilmiştir. Optimizasyon çalışmalarında kurulan bütün lineer ve nonlineer regresyon fonksiyonları için en iyi sonuçlara Diferansiyel Gelişim ve Benzetimli Tavlama Algoritmaları ile ulaşılırken Rastgele Arama algoritması ise en kötü sonuçları vermiştir.

Abstract:
In this thesis study, production and characterization studies of Silicon (Si)-based single junction solar cells were carried out from Si substrate production to the final product. In addition, regression analyzes were performed on cutting, lapping and texturing studies to investigate how process parameters affect the results. Moreover, optimization studies were carried out for the surface roughness minimization in cutting and lapping processes and reflectance value in texturing process by using Differential Evolution, Nelder-Mead, Random Search and Simulated Annealing algorithms. The lowest surface roughness values were obtained using 4 m/s wire speed and 0.5 mm/min cutting speed parameters in cutting process experimentally. In lapping process, the optimum surface roughness values were obtained with the parameter set as 50 RPM rotation speed and 60 min lapping time. In texturing studies, the lowest reflectance value was obtained in samples textured for 40 min in 3.5 % sodium hydroxide-5 % isopropyl alcohol solution.  After the texturing process, p-n junction was formed by using 1 % boric acid solution and then the Si chips were coated with ITO thin film by plasma-assisted chemical/physical vapor deposition system. Finally, current collectors were deposited on both sides of the Si chips with a screen printing device. After this process, current-voltage measurements of the solar cells were performed by solar simulator and open-circuit voltage, short-circuit current, fill factor and efficiency were obtained 494 mV, 13.95 mA, 80.1 and 8.83, respectively. In the regression analysis, the highest R2 values were obtained with the second order nonlinear rational models in the cutting and lapping studies and the third order nonlinear polynomial model in the texturing process.  For all linear and nonlinear regression functions prepared in optimization studies, the best results were obtained based on Differential Evolution and Sumulated Annealing algorithms while worst results obtained based on Random Search algorithm.