PECVD yöntemiyle a-Si:H tabanlı HIT güneş pili  
üretimi ve karakterizasyonu
Characerization of a-Si:H based HIT solar cell fabricated by PECVD method
Yazar: UĞUR DENEB MENDA
Danışman: PROF. DR. ORHAN ÖZDEMİR ; DOÇ. DR. ALP OSMAN KODOLBAŞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Amorf silisyum = Amorphous silicon ; Elektriksel karakterizasyon = Electrical characterization ; Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
Güneş pili endüstrisinde liderliğini koruyan kristal silisyum güneş pillerinin bir çeşidi olan a-Si:H/c-Si heteroeklemden oluşan HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) güneş pilleri 1990'lardan yüksek eneji dönüşüm verim değerleriden dolayı büyük ilgi çekmiştir. Üretimin düşük sıcaklıklarda (T<200°C) tabakaların yapılabilmesi sebebiyle maliyetlerinin az olması ve az malzeme kullanılarak üretilebilmeleri SHE (Silisyum Heteroeklem) güneş pillerinin ilk göze çarpan özellikleridir.
Tez kapsamında yüksek verimli a-Si:H/c-Si heteroeklem güneş pillerinde pil verimi üzerinde odaklanılmış ve pil verimini yükselten faktörler incelenmiştir. Özden amorf silisyum tampon tabakalarında farklı oksit miktarları içeren HIT güneş pillerinin güneş pili analizleri yapılarak kristal silisyum ve amorf silisyum tabaka arasındaki özden amorf silisyum tabakanın altoksit olması durumunda yapıdaki değişiklikler ve bu etkilerin sebeplerinin anlaşılması üzerine çalışılmıştır. İncelenen örneklerin enerji band diyagramları, ölçümlere göre belirlenen iletim yolları, band offsetleri, akım gerilim (I-V), kapasitans-gerilim (C-V) ölçümleri ile belirlenmiştir. Farklı oksit miktarına sahip tampon tabakası içeren HIT güneş pillerinin güneş pili parametreleri belirlenerek, pil parametrelerinin sıcaklığa bağlı değişimi incelenmiştir. Pillerde gerçekleşen akım mekanizmalarının açıklanabilmesi için karanlık ortamda sıcaklığa bağlı ölçümleri yapılarak pil üzerinde yük iletimi araştırılmıştır. Akım ve kapasitans ölçümleriyle diyot yapılarının ayrıntıları araştırılıp, özelliklerin güneş pillerine etkisi irdelenmiştir. 
I-V ve C-V deneylerinden belirlenen aktivasyon enerjilerinin tutarlılığı ile iletim mekanizmaları belirlenmiştir. Kapasitans-gerilim ve IPE ölçümleri ile arayüzeydeki bandoffsetlerin enerji değerleri belirlemek üzere çalışmalar yapılmıştır. Genel olarak, heteroeklem güneş pilinin, yüksek verimine sebep olan yük yolları açığa çıkarılmak üzere analizlere ağırlık verilmiştir. Silisyum heteroeklem güneş pillerinin yüksek verimlerinin yanı sıra oluşan kayıplardan dolayı verim değerini kısıtlayan durumlar araştırılmıştır. Kristal silisyum üzerine büyütülen amorf silsiyum tabakaların üretim koşullarının optimizasyonu, kristal silisyumun yüzey pasivasyonunun geliştirilmesi pil verimini arttıran en önemli etkenlerdir. HIT güneş pillerinin veriminin daha da yüksek değerlere çıkarılabilmesi için katkılı amorf silisyum (a-Si:H) ile saydam iletken oksit (TCO) görevini üstlenen indiyum kalay oksit (ITO) malzemesinin heteroekleme göre oluşturduğu ters diyotun anlaşılabilmesi gerekmektedir. Yapıya göre ters oluşan bu diyotun sebebi ITO'nun iş fonksiyonu ile katkılı amorf silisyumun iş fonksiyonu arasındaki farktır. ITO tabakasının iş fonksiyonu malzemedeki oksit miktarının optimizasyonu ile ayarlanabilirse, yüklerin geçişine engel olabilecek bir ters diyotun varlığı ortadan kalkabilir. Bu doğrultuda pilin ön tarafındaki ITO tabakasındaki oksit miktarı değiştirilerek, bu değişimin ITO tabakasının iş fonksiyona etkisinin belirlenmesi üzerine çalışmalar yapılmıştır. ITO tabakasının iş fonksiyonunun etkisi akım-gerilim ve kapasitans gerilim ölçümleri ile ITO/c-Si ve ITO/(i)a-Si:H/(n)c-Si yapıları üzerinden incelenmiştir. Güneş pillerinin verimini etkileyen başka bir olgu olan arayüzey kusur dağılımı incelemesi yapılmıştır. a-Si:H/c-Si arayüzeyindeki kusurların belirlenmesi için yeni bir numerik model oluşturulmuştur. Özden amorf silisyum tabaka bir oksit/yalıtkan tabaka olarak ele alınıp, MOS analizi Al/(i)a-Si:H/c-Si yapısına uygulanarak arayüzey kusur yoğunluğu elde edilmiştir, ayrıca bu sonuç, AFORS-HET simülasyonu ile desteklenmiştir.

Abstract:
a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells are a type of crystalline based solar cells, developing since 1990s, are under great interest of researches due to their easy production and high energy conversion efficieny values. Silicon heterojunction solar cells are obtained by the growth of very thin intrinsic amorphous silicon  and doped amorphous silicon layers on crystalline silicon, thus they are called HIT (Heterojunction wth intrinsic thin layer) solar cells. For HIT solar cell which are already in the photovoltaic market, the problems such as the crystaline silicon surface passivation and the charge transport through the heterojuntion but the research and development of HIT solar cells are still in progress. In this thesis, a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells whicch have high energy conversion efficiency are analyzed and the current transport mechanism are determined. The influence of  the oxide content of the buffer layer of HIT solar cells on electrical properties are studied.
The energy-band diagrams of the analysed solar cells, the transport paths, band offsets are determined by current-voltage, capacitance-voltage measurements. The solar cell parameters and the temperature dependent parameters of the solar cells investigated in this thesis are performed. Temperature dependent current-voltage measurements performed at dark ambient are used to understand the current mechanisms. The consistency of the activation energy values calculated from I-V and C-V measurements helps us to achieve the correct current mechanism. Capaticance measurements and IPE measurements are used to determine the bandoffsets at the amorphous/crystalline heterojunction. Shortly, the reasons behind the high efficiency values are aimed to be extracted. On the other hand, the factors that limit the higher efficiency values are also studied. The optimization of the growth conditions of the amorphous siliscon layer and the passivation of the crystalline silicon wafer are the main factors of higher energy conversion efficiencies. To increase the efficiency of HIT solar cells, the diode occurs between the doped a-Si:H/ and ITO layer which acts as transparent conductive oxide layer should be understood clearly. The inverse diode appears due to the difference of the work functions of doped amorphous silicon and ITO materials. The work function of the ITO layer can be aligned with the oxygen content of the layer, and thus the obstacle for the charges can be overcame. With this purpose the oxide content of the ITO layer is varied in order to determine and tune the work function of ITO layer. This study is focused on the determination of the barrier height values of ITO/(n)c-Si and ITO/(i)a-Si:H/(n)c-Si structures through I-V and C-V measurements. Additionally, one of the main reasons of the high efficiencies achieved by the researchers is the reduced interface defect density of amorphous silicon/crystalline silicon interface. A numerical model based on MOS analysis is developed and applied for a-Si:H/c-Si structure and interface defect density is extracted. This value is also confirmed by AFORS-HET simulation studies.