Sb2Se3 ince filmlerinin sülfürizasyonu ile üretilen Sb2(S,Se)3 soğurucu katmanlarının karakterizasyonu
Characterization of Sb2(S,Se)3 absorber layers fabricated by sulfurization of sb2se3 thin films
Yazar: MEMDUH EMİRHAN EKREN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FULYA KÖSEOĞLU
İskenderun Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Güneş hücreleri = Solar cells ; Hidrotermal = Hydrothermal ; Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell ; Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Antimon triselenid (Sb2Se3), günümüzde büyük ilgi gören inorganik yarı iletkenler arasında en umut verici soğurucu malzeme seçeneklerinden biridir. Ancak, Sb2Se3 güneş hücreleri için kaydedilen en yüksek verimlilik değerleri hala ideal değerden daha düşüktür. Cihaz performansını artırmak için Antimon selenosülfid (Sb2(SxSe1-x)3) bir seçenektir çünkü alaşımlı Sb2(SxSe1-x)3 'ün bant aralığı ve bant konumu gibi bazı özellikleri bileşime bağlıdır. Bu çalışmada, Sb2(SxSe1-x)3 ince filmlerin büyütülmesi için iki aşamalı bir yöntem kullanılmıştır. İlk aşamada, doğru akım (DC) mıknatıssal saçtırma tekniği kullanılarak soda kireç camı (SLG) altlıkları üzerine Sb2Se3 ince filmleri biriktirilmiştir. İkinci aşamada, Sb2(SxSe1-x)3 ince filmler elde etmek için Sb2Se3 ince filmler kuvars ampulde sülfürleme işlemine tabi tutulmuştur. Karakterizasyon sonuçları, sunulan yöntemle büyütülen Sb2(SxSe1-x)3 ince filmlerinin morfolojik, optik ve yapısal özelliklerinin, sülfürleme sırasında kullanılan sülfür tozu miktarlarına büyük ölçüde bağlı olduğunu göstermiştir. Sülfürün ayarlanmasıyla fotovoltaik uygulamalar için uygun bant aralığına, uygun yönlendirmeye ve kompakt morfolojiye sahip Sb2(SxSe1-x)3 soğurucu malzemeler elde edilebilir.
Yukarıda bahsedildiği gibi, alaşımlı Sb2(SxSe1-x)3'ün bileşimsel manipülasyonu, Sb2(SxSe1- x)3'teki Se oranını basitçe artırarak veya azaltarak ISC veya VOC'yi iyileştirme fırsatı sunar. Bu açıdan detaylı optimizasyon ile maksimum verimlilik elde edilebilir. Ancak bu yaklaşım, bant aralığı azalmasının bir sonucu olarak ISC'deki iyileştirmeye VOC kaybının eşlik ettiği veya bunun tersi olduğu bir ikilemle karşı karşıyadır. Kademeli yapıya sahip güneş hücrelerinin, ISC ve VOC arasındaki bu ikilemi önleyebilir. Bu çalışmada, kademeli bileşime sahip Sb2(SxSe1-x)3 ince filmleri üretmek için kolay ve etkili bir yöntem sunarak, üretilen ince filmlerin özellikleri incelenmiştir. Kademeli bileşime sahip Sb2(SxSe1-x)3 ince filmini üretmek amacıyla mıknatıssal saçtırma tekniği ile üretilen Sb2Se3 filmlerinin üzerine hidrotermal biriktirme yöntemi ile Sb2S3 ince filmleri büyütülerek üretilen yapı ısıl işleme tabi tutulmuştur. Analiz sonuçları, çalışmamızda üretilen kademeli bileşime sahip Sb2(SxSe1-x)3 ince filmlerin yüksek verimliliğe sahip güneş hücreleri elde etmek için potansiyel bir aday olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Antimony triselenide (Sb2Se3) is one of the most promising absorber material choices among the inorganic semiconductors that has attracted much attention today. However, the highest recorded eﬃciencies for Sb2Se3 solar cells are still lower than ideal. Exploring antimony selenosulfide (Sb2(SxSe1-x)3) to increase device performance is one option because some features of alloyed Sb2(SxSe1-x)3 depend on composition such as band gap and band position. In this study, two-step process was used to grow Sb2(SxSe1-x)3 thin films. In the first stage, Sb2Se3 thin films were deposited on soda lime glass (SLG) substrates using direct current (DC) magnetron sputtering technique. In the second stage, Sb2Se3 thin films were exposed to sulfurization process in a quartz ampoule to obtain Sb2(SxSe1-x)3 thin films. Characterization results showed that morphological, optical, and structural properties of Sb2(SxSe1-x)3 thin ﬁlms grown by presented method were highly dependent on amounts of sulfur powder used during sulfurization. By the adjustment of the sulfur, Sb2(SxSe1-x)3 absorber materials with suitable band gap, favorable orientation and compact morphology can be obtained for photovoltaic applications.
As discussed above, compositional manipulation of the alloyed Sb2(SxSe1-x)3 provides an opportunity to improve the ISC or VOC by simply increasing or decreasing the Se ratio in Sb2(SxSe1-x)3. In this respect, maximum efficiency can be achieved with detailed optimization. However, this approach faces a dilemma where improvement in ISC as a result of bandgap reduction is accompanied by VOC loss or vice versa. Graded solar cells can avoid this dilemma between ISC and VOC. In this study, an easy and effective method to fabricate Sb2(SxSe1-x)3 thin films with graded composition was also presented and the properties of the fabricated thin films were investigated. In order to produce Sb2(SxSe1-x)3 thin film with gradual composition, the structure fabricated by Sb2S3 thin films grown by hydrothermal deposition method on Sb2Se3 films grown by magnetron sputtering technique was subjected to heat treatment. The results of the analysis showed that the graded composition Sb2(SxSe1-x)3 thin films fabricated in our study are a potential candidate for obtaining high efficiency solar cells.