Fotovoltaik güneş hücresi amaçlı Cu2SnS3 soğurucu tabakalarının üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of Cu2SnS3 absorber layers for photovoltaic solar cell purpose
Yazar: ELİF KETENCİ ÖZSOY
Danışman: PROF. DR. ORHAN BÜYÜKGÜNGÖR ; PROF. DR. FERHUNDE ATAY
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Buharlaştırma yöntemi = Vaporization method ; Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Karpal tünel sendromu = Carpal tunnel syndrome ; Kükürtleme = Sulfurization ; Soğurucular = Absorbers

Özet:
Günümüzde fotovoltaik güneş hücresi uygulamalarında soğurucu tabaka olarak kullanılan CdTe ve CuInGaSe2 gibi yarıiletken malzemelerin toksik olmaları ve içerdikleri elementlerin doğada nadir bulunmaları, yeni soğurucu malzeme arayışlarını başlatmıştır. Bu noktada Cu2ZnSnS4 (CZTS) yarıiletken soğurucu tabakaları doğada bol bulunan, zararlı olmayan ve maliyeti düşük elementleri içerdikleri için oldukça popüler hale gelmişlerdir. Ancak CZTS filmlerinin büyütülmeleri esnasında aygıt performansını sınırlayan Cu2S, SnS2 ve Cu2SnS3 (CTS) gibi ikincil fazlar oluşmaktadır. Bu ikincil fazlar filmlerin fiziksel özelliklerinin ve bileşimlerinin kontrolünü zorlaştırmaktadır. Araştırmacılar bu sorunları ortadan kaldırmak için CZTS ile benzer yapı ve özelliklere sahip üçlü bileşiklere yönelmeye başlamışlardır. CZTS biriktirme sürecinde ikincil faz olarak oluşan CTS bileşiği, sahip olduğu üstün fiziksel özellikleri ile fotovoltaik güneş hücresi uygulamaları için umut vadeden bir malzeme olarak dikkat çekmiştir. Ancak, CTS tabanlı güneş hücrelerinin verimliliklerini sınırlayan pek çok etkenle karşılaşıldığı için CTS filmlerinin özelliklerinin iyileştirilmesi gerekmektedir.
Bu tez çalışmasında; güneş hücrelerinde soğurucu tabaka olarak kullanılabilecek CTS filmlerinin ısıl buharlaştırma ve sülfürleme aşamalarını içeren iki aşamalı bir işlemle üretilmeleri hedeflenmiştir. İlk aşamada, Sn ve Cu öncül kaplamalar ısıl buharlaştırma sistemi kullanılarak üretilmiştir. İkinci aşamada ise kamara tip bir fırın içerisinde farklı sıcaklıklarda sülfürleme işlemi uygulanarak CTS filmlerinin üretimi tamamlanmıştır. Elde edilen filmlerin yapısal, yüzey, optik ve elektriksel özellikleri, X-ışını kırınımı, Raman Spektroskopisi, UV-vis Spektrofotometri, Spektroskopik Elipometri, Atomik Kuvvet Mikroskopisi, Taramalı Elektron Mikroskopisi ve Dört-uç tekniği kullanılarak ayrıntılı olarak incelenmiştir. Bu tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen analizler sonucunda CTS filmlerinin üretim parametrelerinin optimizasyonu konusunda önemli bir yol alınmıştır. Elde edilen sonuçlar ile önümüzdeki yıllarda ticarileşme aşamasına geçilmesi beklenilen CTS tabanlı güneş hücreleri araştırmalarına önemli katkılar sağlanmıştır.

Abstract:
The toxic nature of semiconductor materials such as CdTe and CuInGaSe2, which are used as absorber layers in photovoltaic solar cell applications, and the rare nature of the elements they contain, have started the search for new absorber materials. At that point, Cu2ZnSnS4 (CZTS) semiconductor absorber layers have become very popular because they contain abundant, non-toxic and low cost elements in nature. However, secondary phases that limit device performance, such as Cu2S, SnS2 and Cu2SnS3 (CTS), occur during the deposition of CZTS films. These secondary phases make it difficult to control the physical properties and composition of the films. To eliminate these problems, researchers have begun to turn to triple compounds with similar structure and properties with CZTS. CTS compound, formed as a secondary phase in the CZTS deposition process, has attracted attention as a promising material for photovoltaic solar cell applications with its superior physical properties. However, since many factors limiting the efficiency of CTS-based solar cells are encountered, the properties of CTS films need to be improved.
In this study; it is aimed to produce CTS films that can be used as absorber layer in solar cells by a two-step process that includes the thermal evaporation and sulfurization steps. In the first stage, Sn and Cu precursor coatings were produced using a thermal evaporation system. In the second stage, production of CTS films was completed by applying sulfurization process at different temperatures in a furnace. Structural, surface, optical and electrical properties of the films were examined in detail using X-ray diffraction, Raman Spectroscopy, UV-vis Spektrophotometry, Spectroscopic Ellipometry, Atomic Force Microscopy, Scanning Electron Microscopy and Four-probe technique. As a result of the analyzes carried out within the scope of this thesis, an important way has been taken in optimization of the production parameters of CTS films. With the results obtained, significant contributions have been made to CTS-based solar cells researches, which are expected to be commercialized in the coming years.