Cu2ZnSnS4 ince film güneş hücrelerinin geliştirilmesi
Development of Cu2ZnSnS4 thin film solar cells
Yazar: NESLİHAN AKÇAY
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN ÖZÇELİK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
Bu çalışmada, Ni/Al/Al:ZnO/i:ZnO/CdS/CZTS/Mo/SKC aygıt yapısına sahip Cu2ZnSnS4 ince film güneş hücrelerinin her bir katmanın karakterizasyon ve optimizasyon çalışmaları yapılarak güneş hücrelerinin geliştirilmesi amaçlandı ve geliştirilen güneş hücrelerinin akım-gerilim karakteristikleri incelenerek performansları değerlendirildi. RF magnetron püskürtme tekniği ile biriktirilen Mo filmlerin, SKC altlıktan Mo film ve CZTS soğurucu katmana gerçekleşen Na difüzyonun anlaşılması amacıyla detaylı SIMS derinlik profili analizi yapıldı. CZTS soğurucu katmanın sentezlenmesi, öncü filmin biriktirilmesi ve daha sonra sülfür atmosferinde tavlamayı içeren iki adımlı yaklaşım kullanılarak gerçekleştirildi. CZTS öncü filmlerinin biriktirilmesinde iki farklı yöntem kullanıldı: 1) Cu (DC), Sn (RF) ve ZnS (RF) hedef malzemelerinin eş zamanlı olarak biriktirildikleri eş-püskürtme yöntemi, 2) Zn (RF), Sn (RF) ve Cu (DC) metalik hedef malzemelerin sıralı katmanlarının biriktirildiği püskürtme yöntemi. Sülfürizasyon süreci, iki bölgeli difüzyon fırınında  550 °C'de farklı hacme ve basınca sahip sülfürizasyon ortamında, farklı sürelerde toz sülfür kullanılarak yapıldı ve filmlerin özellikleri üzerine etkileri değerlendirildi. Hücrelerin CdS tampon katmanı, KBB ve RF püskürtme teknikleri kullanılarak iki farklı yöntemle oluşturuldu. Son olarak, Al:ZnO/i:ZnO'dan oluşan TCO pencere katmanı ve üzerine Ni/Al ön kontak ızgaraları RF püskürtme tekniği ile biriktirilerek güneş hücreleri tamamlandı. Yapılan akım-gerilim ölçümleri sonucunda, soğurucu katmanı eş-püskürtme tekniği ile oluşturulan Ni/Al/Al:ZnO/i:ZnO/CdS(KBB/PB)/CZTS/Mo/SKC aygıt yapısına sahip güneş hücrelerinin ışığa duyarlılıkları olduğu belirlendi. Soğurucu katmanı, metalik hedeflerin sıralı katmanları şeklinde oluşturulan Ni/Al/Al:ZnO/i:ZnO/CdS(PB)/CZTS/Mo/SKC aygıt yapısına sahip güneş hücrelerinden %1,64 enerji dönüşüm verimliliği değeri elde edildi. Elde edilen bu aygıtın, 9,94 mA kısa devre akımına (ISC), 0,55 V açık devre gerilimine (VOC) ve 0,39 dolum faktörüne (FF) sahip olduğu belirlendi. Bu tez kapsamında, CZTS ince film güneş hücrelerinin her bir katmanının üretim ve optimizasyonları üzerine yapılan çalışmaların, ülkemizde çok yeni bir teknoloji olan CZTS ince film güneş hücreleri araştırma alanına önemli katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
In this study, it was aimed to develop Cu2ZnSnS4 thin film solar cells by making characterization and optimization works of its each layer, which has a Ni/Al/Al:ZnO/i:ZnO/CdS/CZTS/Mo/SLG device structure and the performances of the developed solar cells were evaluated by analyzing their current-voltage characteristics. With the intention to understand Na diffusion which occurs from SLG substrate to Mo film and CZTS absorber layer, the detailed SIMS depth profile analysis of the RF magnetron sputtered Mo films was conducted. The synthesis of CZTS absorber layer was carried out by using the two-step approach, which includes the deposition of the precursor film and afterwards a thermal annealing step in sulphur atmosphere. The deposition of precursor films of CZTS absorber layer was performed by two different methods: 1) The simultaneous deposition of Cu (DC), Sn (RF) and ZnS (RF) targets by co-sputtering technique, 2) The sputter deposition of sequential layers of Zn, Sn ve Cu metallic targets. The sulphurization process was conducted in a sulphurization atmosphere with different volume and pressure at 550 °C in a two zoned furnace for different periods bu using powder and its effects on the properties of the films was evaluated. The CdS buffer layer of the cells was formed by using tow different techniques, CBD and RF magnetron sputtering. Finally, the solar cells were completed by the RF sputtered deposition of  Al:ZnO/i:ZnO TCO layer and Al/Ni front contact grids. As a result of current-voltage measurement, it was determined that the solar cells with the device structure Ni/Al/Al:ZnO/i:ZnO/CdS(CBD/RF)/CZTS/Mo/SLG which were formed by co-sputtering technique, had a sensitivity to the light. From the solar cell with the Ni/Al/Al:ZnO/i:ZnO/CdS(CBD/RF)/CZTS/Mo/SLG  device structure, which was formed sequential layers of metallic targets, was obtained the energy conversion efficiency value of 1,64 %. It was determined that this obtained device had a short circut current (ISC) of 9,94 mA, a open-circut voltage (VOC) of 0,55 V and a fill factor (FF) of 0,39 %. With the context of this thesis, it is considered that the production and optimization studies that were made on the each layer of CZTS thin film solar cells to make an important contribution to the research of CZTS thin film solar cells, which is a very new technolgy in our country.