Fotovoltaik uygulamalar için ZnO - Cu2O  filmlerinin ultrasonik sprey piroliz tekniği ile üretilmesi ve karakterizasyonu
Deposition and characterization of ZnO - Cu2O  films for photovoltaic applications by ultrasonic spray pyrolysis technique
Yazar: HAKAN BİLAL ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. ASLI AYTEN KAYA ; DOÇ. DR. EMRAH SARICA
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Film kaplama = Film coating ; Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Fotovoltaik pompalar = Photovoltaic pumps ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş pilleri = Solar cells ; X ışını fotoelektron spektroskopisi = X ray photoelectron spectroscopy ; X ışını kırınımı = X ray diffraction ; X ışını kırınımı = X ray diffraction ; X ışını kırınımı yöntemi = X ray diffraction method ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Bu tez çalışması, güneş hücrelerinde kullanılan ince film güneş hücrelerinin önemli bir bileşeni olan Cu2O'nun, toksik olmayan, doğada bolca bulunan bir malzeme olan bakır (II) oksit (Cu2O) ince filmleri olarak geliştirilmesine odaklanmaktadır. n-tipi elektriksel iletkenlik gösteren ZnO ince filmleri tampon katman olarak planlanmış, p-tipi elektriksel iletkenlik gösteren katkısız ve Boron katkılı Cu2O ince filmler, ultrasonik sprey piroliz tekniği kullanılarak cam alttaşlar üzerine büyütülmüştür.
Çalışmanın temel amacı, saydam iletken optik malzeme olan kalay katkılı indiyum oksit-In2O3 (ITO) alttaşlar üzerine, tampon katman olarak USP yöntemi ile büyütülen n-tipi ZnO ince filmi üzerine yine USP yöntemi ile büyütülmüş p-tipi Cu2O ince filmlerinin fiziksel özelliklerine boron (B) katkısının etkisini anlamaktır. Bu kapsamda, katkısız Cu2O ince filmlerinin yanı sıra farklı oranlarda B katkılı ince filmler (%3, 6, 9, 12) üzerinde detaylı bir araştırma yapılmıştır. Filmler, 280ºC sıcaklıktaki cam ve ITO kaplı cam alttaşlar üzerine taşıyıcı gaz olarak hava kullanılarak büyütülmüştür.
ZnO ve Cu2O ince filmlerinden alınan X-Işını Kırınım Desenleri (XRD) incelendiğinde, ZnO ve Cu2O:B ince filmlerin polikristal kübik yapıda olduğu belirlenmiş ve Cu2O ince filmlerinde (200) kırınım pikinin daha baskın olduğu gözlemlenmiştir. XRD desenlerinden elde edilen verilerle yapılan hesaplamalarda tanecik boyutları incelenmiş, Scherrer ve Modifiye Scherrer formülleri ile kristal büyüklükleri hesaplanmış, katkılama ile kristal büyüklüklerinin 27 nm'den 19 nm'ye kadar küçüldüğü tespit edilmiştir. Yapıya dahil olan boron iyonlarının yapı içerisine yerleşimi ile kristal düzlemlerinin katkılamaya bağlı olarak değişimleri raporlanmıştır.
Alınan geçirgenlik ve soğurma spektrumları ile yapılan hesaplamalarda, Cu2O:B filmlerin %60 civarında optik geçirgenliğe sahip olduğunu (500 nm'de) ve katkılama oranının artışıyla bu geçirgenliğin değişmediğini göstermiştir. Soğurma katsayısının (α) 5,76x1014 ile 9,05x1014 arasında değiştiği gözlemlenmiştir.
AFM ve SEM görüntüleri ile yapılan yüzey morfolojisi çalışmaları sonucunda, filmlerin homojen bir şekilde kaplandığı ve B katkısına bağlı olarak Cu2O filmlerinin yüzey pürüzlülüğünün (Ra) 9,2 nm'den 11,9 nm'ye değiştiği gözlemlenmiştir.
Güneş hücrelerinde kullanılan soğurucu katmanların (Cu2O:B) p-tipi elektriksel iletkenlik gösterdiği belirlenmiş ve Hall Etkisi ölçümleri ile Cu2O:B filmlerin p-tipi iletkenliğe, ZnO filmlerin n-tipi iletkenliğe sahip olduğu tespit edilmiştir. Taşıyıcı konsantrasyonu (n) 2.67x1015 cm-3'ten 3.59x1016 cm-3'e kadar arttığı, mobilite değerlerinin (µ) 13,4 cm²/V.s'den 11,01 cm²/V.s'e değiştiği ve özdirençlerinin katkılama oranına bağlı olarak 1,74x10^2 Ωcm'den 8,21 Ωcm'ye kadar kayda değer bir şekilde azaldığı gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar, Cu2O:B ince filmlerinin güneş hücreleri için potansiyel bir soğurucu katman olarak değerlendirilebileceğini göstermektedir.

Abstract:
This thesis focuses on the development of copper (II) oxide (Cu2O) thin films, a non-toxic and abundantly available semiconductor material, for use in thin-film solar cells. For application as thin-film solar cells, n-type ZnO thin films exhibiting electrical conductivity were grown as buffer layers, and undoped and boron-doped (at various concentrations of 3%, 6%, 9%, and 12%) p-type Cu2O thin films exhibiting electrical conductivity were grown as absorber layers on glass substrates using the ultrasonic spray pyrolysis technique.

The primary objective of the study is to understand the effect of boron (B) doping on the physical properties of p-type Cu2O thin films grown on n-type ZnO thin films, which were deposited on ITO substrates using the USP method. In this context, a detailed investigation was conducted on undoped Cu2O thin films as well as B-doped thin films at various concentrations (3%, 6%, 9%, and 12%). The films were grown on glass and ITO-coated glass substrates at a temperature of 280ºC using air as the carrier gas.

X-ray diffraction patterns (XRD) obtained from ZnO and Cu2O thin films revealed that both ZnO and B-doped Cu2O thin films possess a polycrystalline cubic structure, with the (200) diffraction peak being more prominent in Cu2O thin films. Grain sizes were examined using the data obtained from XRD patterns, and crystal sizes were calculated using the Scherrer and Modified Scherrer formulas, indicating that the crystal sizes decreased from 27 nm to 19 nm with doping. The incorporation of boron ions into the structure and the resulting changes in crystal planes due to doping were reported.

Analyses of the transmittance and absorption spectra showed that Cu2O:B films have an optical transmittance of around 60% at 500 nm, which remained unchanged with increasing doping concentrations. The absorption coefficient (α @500nm) was observed to range between 3.26x10^4 cm^-1 and 4.42x10^4 cm^-1.

Surface morphology studies conducted with AFM and SEM images demonstrated that the films were uniformly coated, and the surface roughness (Ra) of Cu2O films increased from 9.2 nm to 11.9 nm with boron doping.

Hall Effect measurements confirmed that Cu2O:B films exhibit p-type conductivity, while ZnO films exhibit n-type conductivity. It was observed that the carrier concentration (n) of Cu2O:B thin films increased from 2.67x10^15 cm^-3 to 3.59x10^16 cm^-3 with boron doping, the mobility values (µ) ranged from 13.4 cm²/V.s to 11.01 cm²/V.s, and the resistivity significantly decreased from 174 Ωcm to 8.21 Ωcm with increasing doping concentrations. These results indicate that Cu2O:B thin films could be considered a potential absorber layer for solar cell applications.