Fotovoltaik silisyum güneş hücreleri için nikel metal kontak geliştirilmesi
Development of nickel metal contacts for photovoltaic silicon solar cells
Yazar: BERKELI AKGAYEV
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ VEYSEL ÜNSÜR
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Kristal silisyum (Si) güneş hücrelerinin metalizasyonu, güç çevirim verimliliğini artırırken
maliyeti azaltma potansiyeline sahip önemli üretim adımlarından biridir. Güneş hücreleri teknolojisinin
sürdürülebilirliği ve ekonomik açıdan etkinliği için geleneksel olarak kullanılan şablon baskılı gümüş (Ag)
kontaklara alternatif malzemelerin geliştirilmesi, kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada da nikel (Ni) metal
tozları, cam frit ve organik bir ortamdan oluşan bir Ni metal pastası tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu metal
pasta, şablon baskı ile Si güneş hücrelerinin ön yüzeyine Ni kontakların uygulanması için kullanılmıştır.
Schottky kontak oluşumunu önlemek amacıyla, Si güneş hücresinin ön yüzeyine Ni ve Si arasına bir grafen
tabakası yerleştirilmiştir. Ön yüzeydeki grafen katman ve Ni, ısıl işlem sonrası ara yüzeyde yeni bir
malzeme gibi davranıp kontakların iş fonksiyonunu, Si elektron ilgisinden daha düşük bir seviyeye
indirerek, oluşan kontakların omik (veya omik benzeri) özellik göstermesini sağlar. Yapılan analizler,
grafen tabakasının hücrelerin dokulu ön yüzeyine başarılı bir şekilde transfer edildiğini ve G/2D tepe
noktalarının açıkça gözlemlendiğini, bu da grafen tabakasının yüksek kalitesini doğrulamaktadır. Metal
pasta öğelerinden biri olan cam frit için elde edilen bulgular, geçiş sıcaklığının (Tg) 270 °C ile 320 °C
arasında olduğunu ve bu durumun pastanın mükemmel aşındırma davranışını sağlamak için uygun bir
sıcaklık profili sunduğunu göstermektedir. SEM görüntülemeleri, Ni kontakların Ag kontaklara benzer bir
en/boy dağılım oranına ve sinterleme davranışına sahip olduğunu göstermiştir. Solar simülatör ile yapılan
akım-gerilim ölçümlerinde, Ni kontaklı güneş hücresinin açık devre geriliminin 660 mV, kısa devre akım
yoğunluğunun 38,9 mA/cm2 ve doluluk faktörünün %81,0 olduğu belirlenmiştir. Bu değerler, Ni
kontakların güneş hücresine yaklaşık %21 verimlilik sağladığını göstermektedir. Bu çalışma, alternatif
malzemelerin kullanımının güneş hücreleri teknolojisindeki ilerlemeyi destekleyebileceğini ve daha
ekonomik çözümler sunabileceğini göstermektedir.
Anahtar Kelimeler: FV sistemler, gümüş metal kontak, güneş enerjisi, nikel metal kontak,
silisyum güneş hücresi, şablon baskı, yenilenebilir enerji.

Abstract:
The metallization of crystalline silicon (Si) solar cells is one of the critical manufacturing steps
with the potential to enhance power conversion efficiency while reducing costs. The development of
alternative materials to the traditionally used screen-printed silver (Ag) contacts is crucial for the
sustainability and economic viability of solar cell technology. In this study, a nickel (Ni) metal paste
composed of Ni metal powders, glass frit, and an organic medium was designed and produced. This metal
paste was used to apply Ni contacts to the front surface of Si solar cells through screen printing. To prevent
the formation of Schottky contacts, a graphene layer was placed between the Ni and the front surface of the
Si solar cell. After thermal processing, the graphene layer and Ni on the front surface acted like a new
material at the interface, lowering the work function of the contacts below the electron affinity of Si,
resulting in ohmic (or quasi-ohmic) contact properties. Analyses confirmed that the graphene layer was
successfully transferred to the textured front surface of the cells, with clear observation of the G/2D peaks,
verifying the high quality of the graphene layer. Findings for the glass frit, one of the metal paste
components, indicated a transition temperature (Tg) between 270 °C and 320 °C, providing an appropriate
temperature profile for excellent etching behaviour of the paste. SEM imaging showed that the Ni contacts
had a length/width distribution ratio and sintering behaviour similar to Ag contacts. Current-voltage
measurements with a solar simulator determined that the Ni-contacted solar cell had an open-circuit voltage
of 660 mV, a short-circuit current density of 38.9 mA/cm², and a fill factor of 81.0%, resulting in an
efficiency of approximately 21%. This study demonstrates that the use of alternative materials can support
progress in solar cell technology and offer more economical solutions.
Keywords: nickel metal contact, PV systems, renewable energy, screen printing, silver metal
contact, silicon solar cell, solar energy, solar cell metallization