Kükürt katkılı Cu(In,Ga)(Te,S)2 ince filmlerin farklı [Ga]/([Ga]+[In]) oranlarında büyütülerek yapısal ve optik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the structural and optical properties of sulphur-doupted Cu(In,Ga)(Te,S)2 thin films by enlarging at different [Ga]/([Ga]+[In]) rati̇os.
Yazar: ABDULLAH KARACA
Danışman: PROF. DR. EMİN BACAKSIZ
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, iki aşamalı teknik kullanarak [Ga]/([Ga]+[In]) atomik oranları 0,3 ve 0,5 olan  Cu(In,Ga)(Te,S)2 (CIGTS) ince filmleri üretildi. Tekniğin ilk aşamasında; Cu, In ve Ga katmanları, Mo kaplı paslanmaz çelik (SS) altlık üzerine elektro - depolama yöntemiyle kaplandı. Daha sonra SS/Mo/Cu/In/Ga öncül katmanlar üzerine Te katmanları ise, elektron demeti buharlaştırma yöntemi kullanarak stokiyometrik oran korunacak şekilde optimum kalınlıkta kaplandı. İkinci aşamada, Cu(In,Ga)S2 (CIGS) ince filmi üretmek için SS/Mo/Cu/In/Ga öncül katmanlar S tozu ile inert atmosferde ve Cu(In,Ga)Te2 (CIGT) yapısını üretmek için ise SS/Mo/Cu/In/Ga/Te katmanları inert atmosferde tavlandı. CIGTS ince filmleri ise CIGT filmler üretildikten sonra S atmosferinde ısıl işlem uygulandı. S atmosferinde tavlanan SS/Mo/Cu/In/Ga öncül katmanlarda kalınlık boyunca Ga-In gradyente sahip CIGS soğurma katmanı oluştuğu görüldü. Sülfürsüz ortamda ısıl reaksiyona giren SS/Mo/Cu/In/Ga/Te öncül katmanlarda ise hemen hemen stokiyometrik CuInGaTe2 yarıiletken bileşiğin oluştuğu tespit edildi. Ancak,  S katkılı CIGT bileşiklerde CIGTS yerine CIGS bileşiğini oluşturduğu belirlendi. S atomlarının Te atomlarının yerine yerleştiği ve ısıl işlem sürecinde Te atomlarının buharlaştığı EDS ölçümleri ile belirlendi. Farklı [Ga]/([Ga]+[In]) oranlarında S katkısız CIGT ve S katkılı CIGTS örneklerin yapısal ve optik özellikleri X-ışını kırınımı (XRD), EDS, ikincil iyon kütle spektrometresi (SIMs), Raman ve Fotolüminesans (PL) ölçümleri alınarak incelendi. Gibbs serbest enerji hesaplamalarında, CIGTS reaksiyonu için S ve Te birlikte katkılandığında, Te'nin metalik faza ayrışabileceği ve baskın CIGS fazının tercih edilen reaksiyon sonucunda oluşabileceği öngörüldü.

Abstract:
In this study, Cu(In,Ga)(Te,S)2 (CIGTS) thin films with [Ga]/([Ga]+[In]) atomic ratios of 0.3 and 0.5  were produced using a two-step technique. In the first stage of the technique; Cu, In and Ga layers were deposited on Mo coated stainless steel (SS) substrate by electrodeposition. Then, Te layers were coated on the SS/Mo/Cu/In/Ga precursor layers at optimum thickness using electron beam evaporation method, keeping the stoichiometric ratio. In the second step, SS/Mo/Cu/In/Ga precursor layers were annealed in S powder and inert atmosphere to produce Cu(In,Ga)S2 (CIGS) thin films. The same way SS/Mo/Cu/In/Ga/Te layers to produce Cu(In,Ga)Te2 (CIGT) structure were annealed in an inert atmosphere. CIGTS thin films were annealed in S atmosphere after the CIGT films were produced. It was observed that CIGS absorption layer with Ga-In gradient was formed throughout the thickness in SS/Mo/Cu/In/Ga precursor layers annealed in S atmosphere. It was determined that almost stoichiometric CuInGaTe2 semiconductor compound was formed in the SS/Mo/Cu/In/Ga/Te precursor layers that reacted thermally without S-doupt. However, it was determined that S doped CIGT compounds formed CIGS instead of CIGTS. It was also determined by EDS measurements that the S atoms replaced the Te atoms and the Te atoms evaporated during the annealed process. Structural and optical properties of S-undoped CIGT and S-doped CIGTS samples at different [Ga]/([Ga]+[In]) ratios X-ray diffraction (XRD), EDS, secondary ion mass spectrometry (SIMs), Raman and Photoluminescence (PL) measurements were taken and examined. In the Gibbs free energy calculations, it was predicted that when S and Te are doped together for the CIGTS reaction, Te can decompose into the metallic phase and the dominant CIGS phase can be formed as a result of the preferred reaction.