Fotovoltaik güneş hücrelerinde kullanılabilecek n-CdS:F ve p PbS:Ag ince filmlerinin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of n-CdS:F and p-PbS:Ag thin films which can be utilized in thin film solar cells
Yazar: EMRAH SARICA
Danışman: PROF. DR. VİLDAN BİLGİN
Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında ince film güneş hücrelerinde pencere/tampon katmanı olarak sıkça kullanılan CdS ve soğurucu katman olarak kullanılabilecek PbS ince filmleri ultrasonik spray pyrolysis tekniği ile elde edilerek ince film güneş hücrelerinde kullanılabilirlikleri araştırılmıştır.
Bu amaçla katkısız ve farklı oranlarda (%2, 4, 6 ve 8) F katkılı CdS ince filmler 350C sıcaklıkta cam alttaşlar üzerine çöktürülerek F katkısının CdS ince filmlerinin yapısal, morfolojik, elemental, optiksel ve elektriksel özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Yapısal analizleri sonucunda bütün CdS:F ince filmlerinin hekzagonal kristal yapısına sahip oldukları, F katkısı ile birlikte ortalama kristal büyüklüklerinin arttığı belirlenmiştir. Optik analizleri gerçekleştirildiğinde ince filmlerin geçirgenliğinin F katkısıyla birlikte %55'ten %70'e arttığı görülmüş ve optik metot kullanılarak yasak enerji aralıklarının 2.39–2.42 eV aralığında olduğu tespit edilmiştir. Elektriksel analizler, n-tipi iletkenliğe sahip CdS:F ince filmlerinin elektriksel özdirençlerinin F katkılanması sonucunda arttığını ortaya koymuştur.
Çalışmanın diğer aşamasında ise PbS ince filmler, farklı Pb:S derişim oranı içeren başlangıç püskürtme çözeltisi kullanılarak 225C sıcaklıkta cam alttaşlar üzerine çöktürülmüştür. Yapısal analizleri, artan thiourea derişiminin filmlerin yapısal özelliklerini iyileştirdiği ve ortalama kristal büyüklüğünün 11 nm'den 24 nm'ye yükseldiği belirlenmiştir. Optik özellikleri incelendiğinde PbS ince filmlerinin görünür bölge içerisinde oldukça düşük geçirgenliğe sahip olduğu görülmüş ve yasak enerji aralılıklarının 1.18-1.37 eV aralığında olduğu tespit edilmiştir. Bunun yanı sıra, p-tipi iletkenliğe sahip olan PbS ince filmlerinin, artan thiourea derişimi ile birlikte elektriksel özdirencinin 4.78102 cm'den 3.08101 cm'ye düştüğü belirlenmiştir. Çalışmanın son aşaması olarak başlangıç püskürtme çözeltisi içerisine farklı oranlarda (%1, 2, 3 ve 4) Ag eklenerek, PbS ince filmlerin fiziksel özellikleri üzerinde Ag katkısının etkisi incelenmiştir. Yapısal analizler, Ag katkısının filmlerin ortalama kristal büyüklüğünde artışa neden olduğunu göstermiştir. Ayrıca Ag katkısının filmlerin morfolojileri üzerinde önemli bir iyileştirme gerçekleştirdiği tespit edilmiştir. Elektriksel özellikleri incelendiğinde bütün PbS:Ag ince filmlerinin p-tipi iletkenliğe sahip oldukları belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, CdS thin films which are frequently used as window/buffer layer and PbS thin films which can be used as absorber layer in thin film solar cells, were obtained by using ultrasonic spray pyrolysis technique and their usability in thin film solar cells was investigated.
For this purpose, undoped and F doped CdS thin films at different doping concentrations (2, 4, 6 and 8 at. %) were deposited onto glass substrates at 350C and after that, influence of F doping on structural, morphological, elemental, optical and electrical properties of CdS thin films was examined. As a result of structural analyses, it was determined that all CdS:F thin films have hexagonal structure and average crystal size increased with the doping of F. When the optical analysis performed, it was seen that transmittance of CdS:F thin films increased from 55 at.% to 70 at.% and the optical band gap of the films was found to be within the range of 2.39-2.42 eV. Electrical analyses have revealed that, electrical resistivity of CdS:F thin films which have n-type conductivity increased as a consequence of F doping.
At the other stage of the study, PbS thin films were deposited onto glass substrate at 225C by using precursor solution containing different Pb:S molar ratio. Structural analyses have shown that increasing thiourea concentration in precursor solution improved the structural properties of deposited films and average crystal size increased from 11 nm to 24 nm. When the optical properties examined, it was seen that all deposited PbS thin films have low transmittance in the visible region and the band gap energies of films found to be within the range of 1.18-1.37 eV. Besides, it was determined that electrical resistivity of PbS thin films with p-type resistivity decreased with increasing thiourea concentration in the precursor solution. In the last step of the study, the effect of Ag doping on the physical properties of PbS thin films were investigated by incorporating Ag at different concentrations (1, 2, 3 and 4 at. %) into the precursor solution. Structural analyses have shown that Ag doping led to increase in the average crystal size of the films. It was also found that the Ag doping made significant improvement in the morphology of the films. When electrical properties were investigated, it was observed that all deposited PbS:Ag thin films have p-type conductivity.