Cu2ZnSnS4 tabanlı güneş pillerinin verimi üzerine çeşitli katkı maddelerinin etkisinin incelenmesi
The investigation of the effect of various additives onCu2ZnSnS4 based thin film solar cells efficiency
Yazar: SAMED ÇETİNKAYA
Danışman: DOÇ. DR. HACI ALİ ÇETİNKARA
Mustafa Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yeni nesil güneş pili soğurucu malzemelerinden biri olan CZTS yarı iletken bileşiği üzerine yapılan çalışmalar hızla artmaktadır. Çevreci ve ucuz olması yönüyle ilgi çeken bu malzemenin geliştirilmesi temiz enerji kaynaklarının yaygınlaştırılması için çok önemlidir. Bu deneysel çalışmada, ucuz ve kolay uygulanabilir bir büyütme yöntemi olan sol-jel spin kaplama yöntemiyle CZTS ince filmleri elde edilmiş, büyütme çözeltisine katılan etilen glikol, etil selüloz, polietilen glikol, gliserol ve TritonX-100® katkı maddelerinin, filmlerin morfolojik, yapısal, optik ve foto voltaik özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. Gliserol katkısı ile mikro çatlaklı bir yüzey yapısından; sürekli, yoğun, çatlaksız ve mikron boyutlu küre benzeri yapılardan oluşan boşluksuz bir morfoloji elde edilmiştir. Polietilen glikol katkısı ile CZTS numunelerinin, katkı kullanılmadan hazırlanan filmden farklı olarak, özellikle %0.85, %0.95 ve %3.00 katkılı oranlarında boyutları 350-400 nm arasında değişen küresel taneciklerden meydana geldiği görülmüştür. Triton X-100® katkı maddesinin eklenmesi diğer katkı maddelerine oranla dikkat çekici morfolojiler oluşmasına sebep olmuştur. Bu maddenin eklenmesiyle, film yüzeyinde en büyüğü yaklaşık 2500nm olan gözenekli/ağımsı yapılar oluşmuş ve katkılama oranının artışıyla gözenek çaplarında büyüme meydana gelmiştir. Yapılan yapısal incelemeler neticesinde üretilen filmlerde CZTS kesterit fazının elde edildiği, Raman analizi sonuçlarına göre, katkılama maddesi olarak kullanılan etilen glikol, etil selüloz, polietilen glikol, gliserol ve Triton X-100®'ün CZTS ince filmlerde herhangi bir ikincil faz oluşturmadığı görülmüştür. Başlangıç çözeltisine eklenen katkı maddelerinin filmlerin morfolojilerini ciddi oranda etkilediği belirlenmiş, CZTS ince filmlerin morfolojilerindeki değişimin dış kuantum verimini doğrudan etkilediği sonucuna varılmıştır. Katkısız olarak üretilen CZTS ince filmlerin dış kuantum verim değeri %5 iken, etil selüloz katkı maddesinin başlangıç çözeltisine %0.90 oranında eklenmesiyle %10 dış kuantum verimi elde edilmiştir. %0.50 ve %0.40 EG katkılı numunelerde%7-%8 arasında değişen dış kuantum verimleri elde edilmiştir. Triton X-100® katkı maddesi, CZTS ince filmlerinin foto çevrim özelliklerini negatif yönde etkilemiş, fakat elde edilen morfolojilerin çeşitli sensör uygulamaları için verimli olabileceği yorumu yapılmıştır.

Abstract:
As a new generation solar absorber material, the studies on CZTS semiconductor
compound have been rapidly increasing. For the purpose of making renewable energy
sources spread, it is very important to improve CZTS material which has been attracting
much attention due to its environmental friendly nature and abundancy. In this
experimental study, CZTS films have been deposited through a sol-gel spin coating
method that cost effective and simple deposition method. The effects of some additives;
ethyl glycol, ethyl cellulose, poly ethylene glycol, glycerol and TritonX-100® on the
morphological, structural, optical and photovoltaic properties of the CZTS thin films
have been investigated.
Continuous, dense, micron-size grained morphology has been obtained by
adding gliserol. In contrast to those of the films deposited without additive, it was found
that the CZTS films produced adding 0.85%, 0.95% and 3.00% polyethylene glycol
have exhibited morphologies composed of spherical particles with 350-400nm radius.
Attractive porous and network like morphologies have been obtained after inclusion of
TritonX-100® into the growth solution. The size of the pores has increased with
increasing additive amount and maximum pore size was 2500 nm.
Pure CZTS kesterite phase of the samples has been proved through Raman
structural analyses and any secondary phases has not been detected in the films prepared
with or without additive. It has been determined that the additives significantly affect
the morphologies and thus external quantum efficiencies of the films. Adding 0.90%
cellulose provided about 10% external quantum efficiency while the film prepared
without additive exhibited ~5% efficiency. The films prepared with 0.50% and 0.40%
ethylene glycol exhibited efficiency in between 7%-8%. Although TritonX-100® has
been negatively affected the photo conversion efficiency of the films, it was suggested
that those attractive morphologies may be useful for various sensor applications.