Kristal silisyum güneş hücreleri uygulamaları için HfOx tabanlı yansıma önleyici ve pasivasyon etkili katmanların geliştirilmesi
Development of HfOx-based anti-reflection and passivation layers for crystalline silicon solar cells applications
Yazar: İMRAN KANMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH ÜZÜM
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yenilenebilir Enerji Kaynakları/Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada dönel kaplama yöntemi kullanılarak hafniyum oksit (HfO2) temelli
ince filmler oluşturularak yansıma önleyici ve pasivasyon etkileri araştırıldı. İlk olarak HfO2
ince filmi c-Si yüzeyine kaplandıktan sonra tavlama sıcaklığının etkisini görmek için
numuneler 500ºC ile 1000ºC aralığında tavlandı. XRD sonuçlarına göre 500ºC'nin
üzerindeki tavlama sıcaklıklarında filmlerin monoklinik fazda kristalleştiği görüldü.
Yansıma ölçümlerinden, 700°C'de tavlamadan sonra 71.36 nm kalınlığındaki HfO2 film ile
ortalama %10.87 yansıtma elde edildi. Ayrıca elipsometre ölçümleri sonucunda, filmlerin
600 nm'de 1.934'lik kırılma indisine sahip olduğu ve tavlama sıcaklığının 800°C'ye
yükselmesi durumunda kırılma indisinin 2.05 yükseldiği görüldü. Daha sonra çift katmanlı
ve HfO2-SiO2 karışımı ince filmler elde etmek için SiO2 ince film optimizasyonu
gerçekleştirildi. HfO2-SiO2(1:1) filmleri büyütülerek yansıma önleyici ve pasivasyon etkileri
araştırıldı. Hazırlanan HfO2-SiO2(1:1) ince filmlerine ait minimum ve ortalama yansıma
değerleri sırasıyla %4.30 ve %14.68 olarak elde edildi. HfO2-SiO2(1:1) filmlerine ait efektif
taşıyıcı yaşam süreleri, 600°C'de tavlandıktan sonra 2 μs'lik kaplanmamış silisyumun
taşıyıcı yaşam süresine kıyasla 32 μs'ye yükseldiği görüldü. Daha yüksek tavlama
sıcaklıklarda taşıyıcı yaşam süresinin önemli ölçüde bozulduğu (700°C ve 800°C için
sırasıyla 8.9 ve 0.6 μs'ye kadar) görüldü. Son olarak deneysel ortalama yansıma değerlerinin
Afors-Het yazılımıyla c-Si güneş hücrelerine yansıma önleyici (YÖ) katman olarak
uygulanması sonucunda yansıma önleyici kaplamasız güneş hücresinin güç dönüşüm verimi
(PCE) %11.68 olarak belirlenirken, yüksek molariteli (0.4M) HfO2 ile kaplanmış güneş
hücresinin verimi %17.58 olarak elde edildi. Yüksek molariteli HfO2 ince filminin
uygulandığı güneş hücresi için kısa devre akım yoğunluğunun (Jsc) 20.87'den 31.27
mA/cm2'ye ve açık devre voltajının (Voc) 685.10'dan 696.10 mV'ye yükseltilmesi sonucu
yaklaşık olarak %6 verim artışı sağlandı.

Abstract:
In this study, Hafnium oxide (HfO2) based thin films were produced by using spincoating
method and then their antireflection behavior and passivation effects were
investigated. First, samples were annealed at 500 ºC-1000 ºC temperature range in order to
observe the effect of annealing temperature on coating of hafnium oxide on c-Si. According
to XRD results, it was observed that the samples annealed at temperature above 500 ºC were
crystallized as monoclinic phase. After annealing at 700 ºC, 10.87% reflection acquired for
71.3 nm thick HfO2 thin film as a result of reflection measurements. Furthermore, from
ellipsometer measurements it was clearly observed that samples have 1.934 refractive index
at 600 nm wavelength and refractive index increased to 2.05 by increasing annealing
temperature to 800 ºC. After that, SiO2-thin film optimization was carried out to produce
double layered and HfO2-SiO2 mixture thin films. HfO2-SiO2(1:1) thin films were produced
and their antireflective and passivation effects were investigated. Minimum and average
reflection values of HfO2-SiO2(1:1) thin films were obtained as 4.30% and 14.68%,
respectively. Effective carrier lifetime of HfO2-SiO2(1:1) thin films after annealing at 600ºC
increased to 32 μs compared to un-coated silicon effective carrier lifetime which is 2 μs. For
higher annealing temperatures, it has been seen that the effective carrier lifetime decreases
dramatically (for annealing temperatures of 700ºC and 800ºC, effective carrier lifetime
decreases to 8.9 μs and 0.6 μs, respectively). Finally, after application of average
experimental reflection values as anti-reflection coating (ARC) by using Afors-Het software
to c-Si gelar cells, power conversion efficiencies (PCE) of solar cell without anti-reflection
coating and high molarity (0.4M) HfO2 coated solar cell were determined as 11.68% and
17.58%, respectively. As a result of increments in the short circuit current density (Jsc) from
20.87 mA/cm2 to 31.27 mA/cm2 and in open circiut voltage (Voc) from 685.10 mV to 696.10
mV, 6% efficiency increase obtained for high molarity HfO2 thin film coated solar cell.