Güneş hücresi ve lazer uygulamaları için büyütülen SB tabanlı III-V grubu yarıiletken yapıların incelenmesi
Investigation of grown SB-based III-V group semiconductor structures for solar cell and laser applications
Yazar: SABAHATTİN ERİNÇ ERENOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU ARPAPAY
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Enerji Kaynakları ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Tabakalı yarı iletkenler = Layered semiconductors ; Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
Uydu-uzay ve havacılık uygulamalarının baş aktörü olan III-V grubu fotovoltaik teknolojilerinde termalizasyon ve geçirgenlik kaybını en aza indirerek güneş enerjisini etkin bir şekilde dönüştürebilen yüksek verimli çok eklem güneş hücreleri geliştirme çalışmaları dikkat çekici bir şekilde ilerlemektedir. Son yıllarda kızılötesi bölgeyi en iyi şekilde kullanabilmek için alt-hücre olarak GaSb'nin kullanımı ve entegrasyonu üzerine yoğun araştırma faaliyetleri başlatılmıştır. Diğer yandan, yüksek hızlı ve çok amaçlı sistemler için elektronik ve fotonik bileşenlerin aynı çip üzerinde hibrit entegrasyonu ihtiyacı her geçen gün hızla artmaktadır. Bu aşamada, III-V grubu yarıiletkenlerin üstün elektronik ve optoelektronik uygulamalarını fonksiyonel ve maliyet etkin hale getirerek yaygınlaşmalarını sağlayabilmek için Si teknolojisiyle verimli bir şekilde entegrasyonu geleceğin teknolojisinde en önemli yaklaşımlardan biri olarak öngörülmektedir.
Sb tabanlı üçlü ve dörtlü alaşımlar, bazı özel yarıiletken aygıt teknolojilerinin geliştirilmesinde ilgi çeken III-V grubu malzemelerden biridir. Enerji bant aralığının alaşım konsantrasyonu ile istenilen şekilde ayarlanabilmesi kuantum heteroyapılı aygıt tasarımı ve üretiminde neredeyse sınırsız esneklikler sunabilmektedir. Bu nedenle, GaSb tabanlı üçlü ve dörtlü alaşımların büyütme mekanizmalarının anlaşılması ve karakterizasyon çalışmaları ile özelliklerinin incelenmesi oldukça önemlidir.
Tez çalışmasının ilk kısmında, GaSb ve Si alttaş üzerine GaSb tek eklem güneş hücresi fabrikasyonları gerçekleştirilmiş ve karakterizasyonları yapılmıştır. GaSb alttaş üzerine büyütülen GaSb güneş hücresinden %1,20 enerji dönüşüm verimliliği elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında ise GaSb tabanlı üçlü (AlAsSb) ve dörtlü (InGaAsSb/AlGaAsSb) malzemelerin moleküler demet epitaksi tekniğiyle epitaksiyel büyütmeleri gerçekleştirilmiştir. Farklı büyütme parametrelerinin epitaksiyel filmler üzerindeki yapısal özellikleri incelenmiştir. Deneysel bulgulardan elde edilen geri besleme ile hem filmlerin ve hem de büyütme koşullarının en-iyileştirme süreçleri gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Highly efficient multi-junction solar cells that minimise thermalisation and transparency loss in III-V group photovoltaic technologies are making remarkable progress in space and aerospace applications. Recent research has been focused on the use and integration of GaSb as a subcell to make the use of the infrared region in these technologies. On the other hand, the need for the hybrid integration of electronic and photonic components on the same chip for high-speed and multipurpose systems is rapidly increasing. To make the superior electronic and optoelectronic applications of  III-V group semiconductors more functional and cost effective, their integration with Si technology is one of the most important approaches in the future projection of the technology.
Sb-based ternary and quaternary alloys are one of the III-V group materials of interest in the development of specialized device technologies. The ability to tune the energy band gap with alloy concentration offers flexibility in the design and fabrication of quantum heterostructure devices. It is therefore important to understand the growth mechanisms of GaSb-based alloys and investigate their properties through characterization studies.
In the first section of this study, GaSb single-junction solar cells were fabricated and characterized on GaSb and Si substrates. An energy conversion efficiency of 1.20% was obtained from the GaSb solar cell grown on GaSb substrate. In the second section, the epitaxial growth of AlAsSb and InGaAsSb/AlGaAsSb materials grown using molecular beam epitaxy is discussed. The structural properties of alloys with different growth parameters were experimentally investigated, and optimization processes were carried out based on the experimental results.