In/n-CdS/p-CdTe/Cu+Au güneş pilinin soğuk altlık yöntemiyle üretimi
In/n-CdS/p-CdTe/Cu+Au solar cell production with cold substrate method
Yazar: GÖKSEL AYTEMİZ
Danışman: PROF. DR. VAGİF NEVRUZOĞLU
Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Enerji = Energy ; Güneş paneli = Solar panel ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Bu çalışmada CdS/CdTe güneş pillerinde optik pencere katmanı olarak kullanılan CdS filmler soğutulmuş (100–300 K) ve ısıtılmış (373 K) altlıklar yüzeyinde sırası ile soğuk altık ve sıcak altlık yöntemleri ile üretildi. Bu uygulamada soğuk altlık buharlaştırma ve kısmen kapalı hacimde vakum buharlaştırma düzenekleri kullanıldı. Çalışmanın ilk aşamasında CdS filmleri 100-300 K altlık sıcaklıklarında 50 K aralıklarla cam yüzeylerinde üretildi.  Üretilen CdS filmlerinin yüzey morfolojisi Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskobu (FESEM) ile incelendi. Elde edilen görüntülerden soğuk altlık yönteminden beklenen soliton büyüme mekanizmasının 200 K altlık sıcaklığında gerçekleştiği tespit edildi. Bununla birlikte FESEM görüntülerinden 373 K altlık sıcaklığında üretilen CdS filmlerin adacık büyüme mekanizması ile oluştuğu görüldü. Filmlerin X-Işını kırınım desenleri (XRD) ölçümlerinden elde edilen sonuçlar farklı altlık sıcaklıklarında üretilen tüm CdS filmlerinin hekzagonal yapıda büyüdüğü tespit edildi. Bununla birlikte spektrumda var olan küçük şiddetli yansıma düzlemlerinin (101), (103) ve (201) hekzagonal yapıya ait olduğu anlaşıldı. Tüm altlık sıcaklıklarında üretilen CdS filmlerine ait optik geçirgenlik spektrumları incelendi. İncelemeler sonucu soliton büyüme mekanizması ile 200 K altlık sıcaklığında üretilen CdS filminin diğer filmlerden daha optik şeffaf olduğu tespit edildi. Ayrıca 200 K ve 373 K üretilen filmler kıyaslandığında soğuk altlık yöntemi ile üretilen filmin %12 oranında daha yüksek optik şeffaflığa sahip olduğu görüldü. Bunun nedeni soğuk altlık yöntemi ile üretilen CdS filminin daha sıkı paket şeklinde büyümesi ile birlikte kristal yapının eşit boyutlu nano kümeli oluşumundan kaynaklı olduğu anlaşıldı. Çalışmanın ikinci aşamasında incelenen güneş pilinde fotoaktif katman olarak kullanılan tek kristal n-CdTe yüzeyine vakum ortamında CdCl2  tuzu buharlaştırıldı ve hava ortamında  450 °C sıcaklıkta 30 dakika süre ile tavlandı. Sıcak uç yöntemi ile uygulama sonrası CdTe tek kristalin p-tipi elektriksel iletkenliğe sahip olduğu görüldü. CdS ve CdTe yapılarında omik kontak olarak sırası ile metalik In ve Cu+Au katmanları kullanıldı. Bu çalışmanın son aşamasında güneş pili oluşumu gerçekleştirildi. Bu doğrultuda tek kristal p-CdTe altlıklar yüzeyine daha önce deneysel olarak belirtilen altlık sıcaklıklarında (200 K ve 373 K) CdS ince filmler iki farklı yöntemle (soğuk ve ısıl) kaplandı. Böylece iki farklı optik pencere özelliğine sahip metalik ve yarıiletken (In/n-CdS/p-CdTe/Cu+Au) içerikli çok katmanlı yapılar elde edildi. Daha sonra bu yapılar hava ortamında 400 °C'de tavlanarak heterogeçitin oluşumu sağlandı. Oluşturulan güneş pillerinin fotovoltaik ölçümleri karanlık ve aydınlık (93 mW/cm2) ortamlarda İvium CompactStat.h10800 elektrokimyasal ölçüm cihazı ile incelendi. Fotovoltaik parametrelerin hesaplanmasında kullanılan I-V ölçümlerinden açık devre gerilimi (Voc), kısa devre akımı (Isc), maksimum güç (Pmax), doldurma faktörü (FF) ve verim (η) değerleri hesaplandı. Bununla birlikte C-V ölçümlerinden ise verici yoğunluğu (Nd) ve eklem engel potansiyeli (Vbi) hesaplandı.

Abstract:
In this study, CdS films used as the optical window layer in CdS/CdTe solar cells were produced on cooled (100–300 K) and heated (373 K) substrates using cold substrate and hot substrate methods, respectively. In this application, cold substrate evaporation and partially enclosed vacuum evaporation setups were utilized. In the initial stage of the study, CdS films were produced on glass surfaces at substrate temperatures of 100-300 K with 50 K intervals. The surface morphology of the produced CdS films was examined using Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM). The images obtained indicated that the expected soliton growth mechanism occurred at substrate temperatures below 200 K using the cold substrate method. However, it was observed from the FESEM images that CdS films produced at 373 K substrate temperature formed through island growth mechanism. Results from X-ray Diffraction (XRD) measurements of the films revealed that all CdS films grown at different substrate temperatures exhibited a hexagonal structure. Additionally, the small intense reflection planes in the spectrum were identified to belong to the hexagonal structure, corresponding to (101), (103), and (201) planes. Optical transmittance spectra of CdS films produced at all substrate temperatures were analyzed. As a result of the examinations, it was found that the CdS film produced at 200 K substrate temperature through the soliton growth mechanism was more optically transparent compared to other films. Furthermore, when films produced at 200 K and 373 K were compared, it was observed that the film produced by the cold substrate method had approximately 12% higher optical transparency. This was attributed to the tighter packing and equal-sized nano-clustered crystal structure of the CdS film produced by the cold substrate method. In the second stage of the study, CdCl2 salt was evaporated in a vacuum environment onto the surface of a single-crystal n-CdTe used as the photoactive layer in the examined solar cell. Subsequently, it was annealed at 450 °C for 30 minutes in ambient air. After the application, the CdTe single crystal was found to exhibit p-type electrical conductivity through the hot-end method. Metallic In and Cu+Au layers were used as ohmic contacts in the CdS and CdTe structures, respectively. In the final stage of this study, the formation of the solar cell was achieved. In this context, CdS thin films were coated on the surface of single-crystal p-CdTe substrates at the previously experimentally determined substrate temperatures (200 K and 373 K) using two different methods (cold and hot). Thus, multi-layer structures with two different optical window properties, metallic and semiconductor (In/n-CdS/p-CdTe/Cu+Au), were obtained. These structures were then annealed at 400 °C in ambient air to form the heterojunction. The photovoltaic measurements of the created solar cells were examined in both dark and illuminated (93 mW/cm2) conditions using an Ivium CompactStat.h10800 electrochemical measurement device. Open-circuit voltage (Voc), short-circuit current (Isc), maximum power (Pmax), fill factor (FF), and efficiency (η) values were calculated from the I-V measurements used to calculate photovoltaic parameters. Additionally, carrier density (Nd) and junction barrier potential (Vbi) were calculated from C-V measurements.