Metal oksit inorganik malzemelerin GaAs hücre teknolojisine elektron seçici yayıcı katman olarak entegrasyonu
Integration of metal oxide inorganic materials into GaAscell technology as electron selective emitter layer
Yazar: ELİF YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA KULAKCI
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Galyum arsenik = Gallium arsenic ; Güneş pilleri = Solar cells ; Yenilenebilir kaynak = Renewable resource

Özet:
Son yıllarda, elektron seçici taşıyıcı kontaklar (ESC), yüksek performanslı güneş hücrelerinde elektron taşıyıcı ayrımı için geleneksel katkılı p-n eklem güneş hücrelerine etkili bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Bu tez kapsamında ilk defa, ELO yöntemi ile üretilen esnek ince film GaAs güneş hücresine ESC katmanı entegre edilmiştir. TiO2 ve ZnO metal oksitler ESC katmanı olarak bu hücrelerde kullanılmıştır. Tezde önerilen aygıt yapısı ve üretim yaklaşımı, epitaksiyel hücre büyütmenin zorluğunu kısmi olarak azaltırken, genel hücre üretim maliyet ve fabrikasyon süreçlerinde konvansiyonel yaklaşımlara göre daha verimli ve maliyet etkin hücrelerin daha kolay bir şekilde üretilmesini sağlayacak potansiyele sahiptir. 
Tez kapsamında, p-GaAs/TiO2, p-GaAs/ZnO ve p-GaAs/TiO2/ZnO aygıt yapıları için simülasyon gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları, n-GaAs yayıcı katmanı yerine ince TiO2 veya ZnO tabakalarının kullanılmasının, GaAs güneş hücrelerinde elektron seçiciliğini artırarak yüksek verimliliğe yol açtığını göstermektedir. Herhangi bir yansıtma önleyici katman kullanılmadan yapılan hesaplamalarda dahi, GaAs/ESC hücrelerden p-GaAs/TiO2 için %29,3, p-GaAs/ZnO için %27,2 ve p-GaAs/TiO2/ZnO için %28,8 gibi yüksek dönüşüm verimi elde edilebileceği gösterilmiştir. İyi bir yansıma önleyici katmanla bu değerler %32 limitine yaklaşabilmektedir.
Teorik hesapları yapılan bu hücre yapılarından ilk defa esnek ince film GaAs/ESC hücre fabrikasyonu başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiş ve karakterizasyonları yapılmıştır. Ancak, fabrikasyonu gerçekleştirilen bu hücrelerden teorik beklentinin aksine çok yüksek verim ölçülememiştir. Deneysel olarak elde edilen en yüksek verimlilik değeri %2,23 seviyelerinde kalmıştır. Fabrikasyon süreçlerinin ve ESC kaplama yöntemlerinin sebep olduğu çok düşük paralel ve çok yüksek seri direnç üretilen hücrelerin özellikle açık devre voltajı ve dolum faktörlerinin çok düşük olmasına yol açarak hücre performansını limitlemiştir.

Abstract:
In recent years, electron selective carrier contacts (ESC) have emerged as an effective alternative to doped p-n heterojunction solar cells. In this thesis study, ESC layers were integrated into a flexible thin-film GaAs solar cell fabricated by the ELO method for the first time. TiO2 and ZnO were used as ESC layers. The proposed device structure reduces the complexity and cost of epitaxially grown cells while enabling the production of high-efficiency GaAs solar cells that are easy to fabricate.
Within the scope of this thesis, simulations were performed for p-GaAs/TiO2, p-GaAs/ZnO and p-GaAs/TiO2/ZnO hibride device structures. The simulation results show that the use of thin TiO2 or ZnO layers instead of n-GaAs emitter layer improves the electron selectivity in GaAs solar cells, leading to high efficiency. Even without any anti-reflection layer, calculations show that high conversion efficiencies of 29.3% for p-GaAs/TiO2, 27.2% for p-GaAs/ZnO and 28.8% for p-GaAs/TiO2/ZnO can be obtained from GaAs/ESC cells. With a good anti-reflection layer, these values can approach the 32% limit.
From these theoretically calculated cell structures, flexible thin film GaAs/ESC cells were successfully fabricated and characterized for the first time. However, contrary to the theoretical expectation, very high efficiency could not be measured from these fabricated cells. The highest efficiency value obtained experimentally was 2.23%. The very low shunt and very high series resistance caused by the fabrication processes and ESC coating methods led to very low open circuit voltage and fill factors of the fabricated cells, limiting the cell performance.