a-Si:H/c-Si heteroeklemlerinin elektronik ve optik özelliklerinin incelenmesi ve güneş pili üretimi
Electronic and optical properties of a-Si:H/c-Si heterojunctions and solar cell production
Yazar: GAMZE BAŞER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. AKIN BACIOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Amorf silisyum azot alaşımı = Amorphous silicon nitrogen alloy ; Heteroeklem = Heterojunction ; Verimlilik = Productivity

Özet:
PECVD sisteminde, silan (SiH4) gazının RF plazması kullanılarak, Corning 7059 alttaşlar üzerine hidrojenlendirilmiş amorf silisyum (a-Si:H) ince filmler büyütülmüştür. Örnekler, vakum odası basıncı 200mTorr, SiH4 gazı akış hızı 10sccm ve alttaş sıcaklığı 300ºC değerlerinde sabit tutularak, RF güç yoğunluğu 16±3mW/cm2 ile 31±3mW/cm2 arasında değiştirilerek üretilmiştir. Elektriksel ve optik özellikleri, sıcaklığa bağlı karanlık iletkenlik, optik geçirgenlik ve sabit fotoakım yöntemi (CPM) deneyleri ile incelenen bu örneklerin en düşük kopuk bağ yoğunluğuna sahip hazırlama koşulları, hidrojenlendirilmiş amorf silisyum-azot (a-SiNx:H) ince filmlerin üretiminde temel alınmıştır.200mTorr vakum odası basıncı, 300ºC alttaş sıcaklığı ve 16mW/cm2 RF güç yoğunluğu koşullarında, silan ve azot karışımının plazması kullanılarak bir seri a-SiNx:H ince film büyütülmüştür. Yapıya giren azot miktarı, reaktöre giren gaz akış hızları oranı, r (=F_(N_2 )?((F_(N_2 )+F_(SiH_4 ) ) )), 0,09 ile 0,50 arasında ayarlanarak değiştirilmiştir. Tüm a-SiNx:H filmlerin karakterizasyonunda optik geçirgenlik, sıcaklığa bağlı karanlık iletkenlik ve sabit fotoakım yöntemi (CPM) ölçüleri kullanılmıştır. Düşük kopuk bağ kusur yoğunluğuna ve yüksek iletkenliğe sahip a-SiNx:H örneğin hazırlama koşulları c-Si/a-SiNx:H ve c-Si/a-Si:H/a-SiNx:H yapıdaki heteroeklemlerin üretiminde kullanılmıştır.p tipi kristal silisyum alttaş üzerine ~10nm kalınlığında a-SiNx:H büyütülüp, karanlık ve aydınlatma altında J-V ölçümleri yapılmıştır. Karanlık J-V ölçümlerinden, seri direnç RS=650? ve paralel direnç RP=46k? olarak hesaplanmıştır. Şiddeti 80mW/cm2 olan kuartz halojen lamba aydınlatması altında alınan J-V verisinden ise açık devre gerilim (Vad), kısa devre akımı (Ikd),doluluk oranı (FF) ve verim, sırasıyla, 0,40V, 0,50mA, %7,1, ve %0,1 olarak hesaplanmıştır. Dış toplama verimliliği (external collection efficiency-ECE) ve tayfsal duyarlılık (spectral response -SR) ölçümleri yapılmıştır. 600nm-700nm dalgaboyu aralığında kuantum verimliliğinin en büyük değer olan 0,002 ve SR ise 750nm civarında en büyük değeri olan 1,2mA/W'a ulaşmıştır.c-Si/a-SiNx:H heteroeklem güneş piline, farklı kalınlıklarda a-Si:H katman eklenerek c-Si/a-Si:H/a-SiNx:H heteroeklem güneş pilleri üretilmiştir. 200nm, 300nm ve 500nm a-Si:H katman kalınlığına sahip bu heteroeklem güneş pillerinin karakterizasyonu için J-V eğrileri, ECE, SR eğrilerinden yararlanılmıştır. En büyük Vad ve Ikd değerleri, 500nm i-tabaka kalınlığına sahip pin3 örneğinde, 0,42V ve 0,34mA olarak ölçülmüştür. En büyük verim ise yine aynı örnekte %0,04 olarak hesaplanmıştır.c-Si/a-Si:H/a-SiNx:H heteroeklemlerden, 200nm (pin2) ve 500nm (pin3) a-Si:H katman kalınlığına sahip olan örneklerin, farklı sıcaklıklarda tavlama sonrası davranışları da incelenmiştir. pin3 örneğinin doluluk oranı ve verimi, 200°C'ta tavlama sonucunda, sırasıyla, %35 ve %0,6'ya yükselmiştir. pin2 örneğinin ise doluluk oranı ve verimi, yine 200°C'ta tavlama sonucunda, sırasıyla, %47 ve %0,8'e yükselmiştir.

Abstract:
A set of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films were depositied on Corning 7059 substrates in a PECVD system, by using RF plasma of silane (SiH4) gas. The RF power density was varied between 16±3mW/cm2 and 31±3mW/cm2 while keeping the chamber pressure, flow rate of gases and substrate temperature constant at 200mTorr, 10sccm and 300°C, respectively. The best a-Si:H film with the lowest dangling bond defect density was investigated by electrical and optical measurements including temperature dependent dark conductivity, optical transmission and constant photocurrent method (CPM). An RF power density of 16mW/cm2 was determined as the best preparation condition for the lowest defect density. Therefore the mentioned preparation conditions and this value of the RF power density were utilized for the preparation of the hydrogenated amorphous silicon-nitrogen (a-SiNx:H) thin films.The set of a-SiNx:H thin film samples was prepared by varying the composition of nitrogen and silane gas mixture. The total chamber pressure was kept constant at 200mTorr and the nitrogen content of the samples was varied by adjusting the partial nitrogen flow rate, r (=F_(N_2 )?((F_(N_2 )+F_(SiH_4 ) ) )), between 0.09 and 0.50. All a-SiNx:H thin films were investigated by using optical transmission, temperature dependent dark conductivity and constant photocurrent method (CPM) measurements. The preparation conditions of a-SiNx:H sample with the lowest dangling bond defect density and the highest conductivity were exploited to fabricate the heterojunctions in the structure of c-Si/a-SiNx:H and c-Si/a-Si:H/a-SiNx:H.Heterojunction solar cells were done by growing a-SiNx:H with a thickness of ~10nm on p type crystal silicon wafers. These devices were characterized by dark and illuminated J-V measurements. From dark J-V measurements, series and parallel resistances were calculated as RS=650? and RP=46k?, respectively. Under the illumination of quartz-halogen lamp with the intensity of 80mW/cm2 J-V measurement was performed. Voc, Isc, FF and efficiency were calculated as 0.40V, 0.50mA, 7.1%, and 0.1%, respectively. Spectral response (SR) and external collection efficiency measurements (ECE) were also performed. Between 600nm and 700nm ECE reached its highest value 0.002 and SR around 750nm reached to 1.2mA/W as a maximum.c-Si/a-Si:H/a-SiNx:H solar cells were produced by adding a-Si:H layers with different thicknesses in between the layers of the c-Si/a-SiNx:H heterojunction structure. The experimental results of J-V, ECE and SR were used to characterize those heterojunction solar cells with i-layer (a-Si:H) thicknesses of 200nm, 300nm and 500nm. The highest Voc and Isc values were measured to be 0.42V and 0.34mA for the sample pin3 having 500nm i-layer thickness. The highest efficiency was calculated to be 0.04% for the same sample, as well.c-Si/a-Si:H/a-SiNx:H heterojunction solar cells with 200nm (pin2) and 500nm (pin3) a-Si:H layer thicknesses were also investigated at varying annealing temperatures. FF and efficiency of the sample pin3 after annealing at 200°C increased to 35% and 0.6%, respectively. For the sample pin2, FF and efficiency after annealing at 200°C were observed to increase to the values of 47% and 0.8%, respectively.