ZNS ve Cu2ZNS4(CZTS) ince filmlerin sentezi, karakterizasyonu ve optoelektronik uygulamaları
Synthesis, characterization and optoelectronic applications of ZNSand Cu2ZNS4(CZTS) thin films
Yazar: ZEKİYE ABA
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH GÖKTAŞ
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films

Özet:
Çinko sülfür (ZnS), optoelekronik cihazlar için en önemli yarı iletkenlerden biridir. Genellikle çevre dostu özelliğinden dolayı yüksek verimli Cu2ZnSnS4(CZTS) güneş hücrelerinde tampon tabaka olarak kullanır. Bu tez çalışmasında yapılan tüm filmlerin hepsi sol-jel daldırarak kaplama tekniği ile sentezlenmiştir. Bu çalışmada ilk kez ZnS1-xNaxS, Zn1-xSnxS ve Zn1-xLaxS (x=%0-15) ince filmleri
çözelti tabanlı sol-jel metodu ile cam ve Si (fiziksel olarak aşındırılmış) altlıklar üstünde 6000c'de vakum ortamında üretilerek Na+, Sn+2, ve La+3 katkılarının ve katkı oranlarının yapısal, optiksel ve lüminesans özelliklerine etkisi incelenmiştir. Benzer biçimde CZTS ince filmleri de sol-jel yöntemiyle farklı sıcaklıklarda (400, 450, 500 ve 5500C) aynı altlıklar üzerinde büyütüldü. Hazırlanan her iki tip ince filmlerin fiziksel özellikleri XRD, Raman, SEM, AFM, XPS, EDX, haritalama fotolüminesans, UV-Vis spektroskopisi, Hall etkisi, akım-voltaj(I-V) ölçüm sistemleri ve solar sümilatör ölçüm sistemleri ile karakterize edildi. Hazırlanan ZnS1-xNaxS, Zn1-xSnxS ve Zn1-xLaxS (x=%0-15) ince filmlerinin karma kübik ve altıgen ZnS polikristal fazına sahip olduğu fakat baskın (111) kübik düzlemi boyunca yüksek tercihli yönelime sahiptirler. Bu film grubu içerisinde Zn1-xSnxS ince filmlerin kristal kalitesinin daha yüksek olduğu anlaşıldı. Her üç filminde yüzey morfolojisi homojen ve yoğundur. FTIR, XPS, ve EDX analizi sonuçları üç film grubunda da ZnS bağ oluşumu ve Zn+2, Na+, Sn+2, La+3, katkı tür ve oranlarıyla beraber ZnS ince filminin optik yasak bant aralığı değeri ve fotolüminesans şiddeti değişim gösterdi. Bu filmlerde p/n tipi Si üzerine kaplanan filmlerin I-V grafiklerinin omik olmayan davranış sergilemesinin p-n eklem oluştuğunu göstermektedir. Diğer taraftan hazırlanan CZTS ince filmlerinin (112) yönelimli karakteristik CZTS kesterit faz yapısında kristallendiği gözlemlendi. Kristallenme derecesi tavlama sıcaklığına ve süresine bağlı olarak değişti. Yüzey ve elementsel analiz sonuçları CZTS film yüzeylerinin homojen fakat pürüzlü olduğunu ve Cu, Zn, Sn,ve S atomlarını belirli oranda içerdiğini gösterdi. Optik ölçüm sonuçları soğrulma şiddetinin ve aynı zaman n-tipi Si üstüne kaplanan film örneklerinin I-V ölçümleri omik olmayan davranış sergilemiştir. p ve n tipi Si üzerine hazırlanan güneş hücrelerinde anlamlı bir verim elde alınmamakla birlikte sadece bir CZTS tabanlı güneş hücresinde çok az da olsa verim elde edilmiştir. Anlamlı bir verimin elde edilememesinin sebebi kaçak devre akımları, hazırlanan filmlerdeki mikro çatlaklar ve soğurucu CZTS katman kalınlığı olarak tespit edilmiştir.

Abstract:
Zinc sulfide (ZnS) is one of the most important semiconductors for optoelectronic devices. It is
generally used as a buffer layer in high-efficiency Cu2ZnSnS4(CZTS) solar cells due to its environmentally friendly properties. All thin films made in this thesis study were synthesized using
the sol-gel dip coating technique. In this study, fort the first time, ZnS1-xNaxS, Zn1-xSnxS and
Zn1-xLaxS (x=%0-15) thin films were produced by solution-based sol-gel method on glass and Si
(physically etched) substrates in a vacuum environment at 6000C. The effect of the Na+, Sn+2 and La+3 and their doping ratios on the structural, optical and luminescence proporties were examined.
Similarly, CZTS thin films were grown on the same substrates at different temperatures (400, 450,
500 and 5500C) by the sol-gel metod. The physical properties of both types of the prepared thin films were characterized by XRD, Raman, SEM, AFM, XPS, EDX, mapping, photoluminescence, UV-Vis
spectroscopy, Hall effect, current(I)-voltaj(V) measurement systems and solar simulator. The prepared ZnS1-xNaxS, Zn1-xSnxS and Zn1-xLaxS (x=%0-15) thin films have a mixed cubic and hexagonal ZnS polycrytalline phase but have a highly preferred orientation along the dominant (111) cubic plane. Among this film group, it was understood that the crystalline quality. The optical bandgap value and photoluminescence intensy of the ZnS thin film changed with the Na+, Sn+2, La+3 dopant types and ratios. Among these films, the I-V graphs of the films coated on the p/n type Si exhibit non-ohmic behavior, indicating that a p-n juntion was formed. On the other hand, it was observed that the prepared CZTS thin films crystallization varied depending on the annealling temperature and duration. Surface and elemental analysis results showed that CZTS film surface was homogeneous but rough and contained Cu, Zn, Sn and S atoms in certain proportions. Optical measurement reslts showed that the absorption intensity and band gap (1.3-1.8 eV) varied depending on the anneling temperature, duration and the used substrate. In addition, electrical measurements results showed that the CZTS semiconductor had p-type conductivity and at the same duration, I-V measurements of the film samples coated on the n-type Si exhibited non-ohmic behavior. Although no significant efficiency was obtained in the solar cells prepared on p- and n- type Si, only a very low efficiency was obtained in a CZTS based solar cell. The reasons for not achieving a significant efficiency was determined to be leakage current, microcracks in the prepared films and thickness of the absorptive CZTS layer.