Isıl buharlaştırma yöntemi ile elde edilen CZTS filmlerinin incelenmesi
Characterization of CZTS films produced by thermal evaporation technique
Yazar: REMZİ AYDIN
Danışman: PROF. DR. İDRİS AKYÜZ
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Günümüzde fotovoltaik güneş hücresi uygulamalarında sıklıkla soğurucu tabaka olarak kullanılan CdTe ve CuInGaS(e)2 gibi yarıiletken malzemelerin In ve Ga gibi nadir bulunan ve pahalı olan, Cd ve Se gibi zararlı olan elementler içermesi üzerinde durulması gereken bir sorundur. Bu durum uzun vadede,  yeni ve alternatif soğurucu tabaka arayışları için araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Doğada bol bulunan, zararlı olmayan ve maliyeti düşük elementlerden oluşan Cu2ZnSnS4 (CZTS) yarıiletken filmleri kendilerine has özellikleri ile bu soruna çözüm olabilecek potansiyele sahiptirler. CZTS filmleri birçok özelliği ile umut vaat eden malzemeler olmalarına karşın, CZTS tabanlı güneş hücresi aygıtların verimliliklerinin arttırılması için bu malzeme ile ilgili iyileştirmeler yapılması gerekmektedir. Bu tez çalışmasında; güneş hücrelerinde soğurucu tabaka olarak kullanılabilecek CZTS yarıiletken filmlerinin ısıl buharlaştırma yöntemi ile üretimi ve optimizasyonu amaçlamıştır. CZTS filmleri iki aşamalı bir süreç ile elde edilmiştir. İlk aşamada, bir ısıl buharlaştırma sistemi kullanılarak öncül kaplamalar (ZnS/Sn/Cu) üretilmiştir. İkinci aşamada ise kamara tip bir fırın içerisinde sülfürleme işlemi uygulanarak CZTS filmlerinin üretimi tamamlanmıştır. Elde edilen yarıiletken filmlerin yapısal, optik, yüzeysel ve elektriksel özellikleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu incelemelerde, X-ışınları kırınımı, Raman Spektroskopisi, UV-VIS Spektroskopisi, Spektroskopik Elipsometri, Atomik Kuvvet Mikroskopisi, Taramalı Elektron Mikroskopisi ve Dört-uç tekniği gibi yöntemler kullanılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen analizler sonucunda; önümüzdeki yıllarda ticarileşme aşamasına geçilmesi beklenilen CZTS tabanlı güneş hücrelerinde soğurucu tabaka olarak kullanılabilecek CZTS filmlerinin üretim parametreleri konusunda önemli çıktılar elde edilmiştir.

Abstract:
It is a problem which needs to be addressed that the semiconductor materials such as CdTe and CuInGaS(e)2 frequently used in photovoltaic solar cell applications as absorber layers contain In and Ga which are rare/expensive, Cd and Se which are harmful. In the long run, this case has attracted the attention of researchers to search for new and alternative absorber layers. Cu2ZnSnS4 (CZTS) films which are consisting of elements abundant in nature, low cost and non-harmful have the potential to be a solution to this problem with their unique properties. Despite being a promising material with many features, improvements regarding this material need to be made to increase the efficiency of CZTS based solar cell devices. In this thesis, production and optimization of CZTS films which may be used as absorber layers in solar cells have been aimed. CZTS films have been obtained by a two-step process. In the first step, precursor coatings (ZnS/Sn/Cu) have been produced using a thermal evaporation system. In the second stage, the production of CZTS films has been completed by applying a sulfurization process in a furnace. Structural, optical, surface and electrical properties of the obtained films have been investigated in detail with the help of X-ray diffraction, Raman spectroscopy, UV-VIS Spectroscopy, spectroscopic ellipsometry, atomic force microscopy, scanning electron microscopy and four-point probe techniques. As a result of the studies carried out within the scope of this thesis; significant outputs have been obtained about the production parameters of CZTS films that can be used as absorbing layers in CZTS-based solar cells, which are expected to be commercialized in the coming years.