Fotovoltaik uygulamalar için Sb2S3 soğurucu tabaka üretimi ve incelenmesi
Production and characterization of Sb2S3  absorber layer for photovoltaic applications
Yazar: REMZİ AYDIN
Danışman: PROF. DR. İDRİS AKYÜZ
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Günümüzde fotovoltaik güneş hücresi uygulamalarında soğurucu tabaka olarak sıklıkla kullanılan CuInGaSe2, CdTe ve Cu2ZnSnS4 gibi yarıiletken malzemelerle kıyaslandığında uzun vadede kararlı olan, ham malzeme maliyeti düşük olan, yüksek soğurma katsayısına sahip olan, az sayıda ve toksik olmayan elementlerden oluşan Sb2S3 filmi bilimsel araştırmalarda ilgi çeken bir malzeme olmaya başlamıştır. Bununla birlikte, Sb2S3 tabanlı güneş hücrelerinin verimlilik değerleri teorik olarak öngörülen değerin altında kalmaktadır. Bu sınırlamaya neden olan faktörlerin ortaya konulması açısından literatürdeki teorik ve deneysel çalışmalar yetersiz kalmaktadır. Bu değerlendirmeler tez çalışması kapsamında gelecekteki uygulamalar için umut vaat eden bir malzeme olan Sb2S3 filmlerinin üretimi ve deneysel olarak detaylı analizi konusunda motivasyon yaratmıştır. Sb2S3 filmleri ile ilgili olarak literatürde görülen eksiklerin giderilmesi ve vurgulanan problemlerin çözülmesi adına bu tez çalışmasında öncelikle dirençli ısıl buharlaştırma yöntemi ile Sb2S3 öncül kaplamaları elde edilmiş, daha sonrasında farklı sıcaklık, atmosfer ve gaz akış hızlarında gerçekleştirilen ısıl işlemler ile Sb2S3 filmlerinin üretimi ve optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Elde edilen Sb2S3 filmlerinin yapısal, optik, yüzeysel ve elektriksel özellikleri X-ışınları kırınımı (XRD), Raman Spektroskopisi, UV-VIS Spektroskopisi, Atomik Kuvvet Mikroskopisi (AKM) ve İki-uç tekniği gibi yöntemler ile detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Uygulanan ısıl işlemler ile Sb2S3 filmlerinin herhangi bir ikincil faz olmaksızın elde edilebildiği, optik bant aralığı değerinin 1,7 eV'a kadar düşürülebildiği, bu tez çalışmasında ısıl işlemlerde kullanılmak üzere tasarlanan borosilikat hücrede yapılan sülfürleme işlemi ile literatürde sıklıkla vurgulanan kükürt problemin giderilebildiği ve Sb2S3 filmlerinin yüzey morfolojilerinin modifiye edilebildiği görülmüştür. Bununla birlikte yapılan tüm optimizasyon çalışmalarına rağmen elektriksel özdirenç değerlerinin arzu edilen mertebede azaltılamadığı ortaya konulmuştur. Bu tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda; özellikle enerji uygulamalarında umut vaat eden bir malzeme olarak öne çıkan Sb2S3 filmlerinin optimizasyonu açısından detaylı analizler gerçekleştirilmiş ve özellikle sülfürleme sürecinde kullanılan yöntem ile gelecekteki potansiyel araştırmalar için yol gösterici olabileceği düşünülen çıktılar ortaya konulmuştur.

Abstract:
CuInGaSe2, CdTe, and Cu2ZnSnS4 are semiconductor materials commonly used as absorber layers in photovoltaic solar cell applications. Compared to these materials, Sb2S3 film, which consists of non-toxic elements, has drawn attention in scientific research due to its long-term stability, low raw material cost, and high absorption coefficient. However, the efficiency values of Sb2S3-based solar cells are lower than the theoretically predicted value. The theoretical and experimental studies in the literature are insufficient in identifying the factors causing this limitation. These evaluations have motivated the production and detailed analysis of Sb2S3 films which is a promising material for future applications. To address the deficiencies observed in the literature regarding Sb2S3 films and to solve the highlighted problems, Sb2S3 precursor coatings were first obtained using the resistive thermal evaporation method. Subsequently, the production and optimization of Sb2S3 films were carried out through thermal processes performed at different temperatures, atmospheres, and gas flow rates. The structural, optical, surface, and electrical properties of the obtained Sb2S3 films were investigated using methods such as energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), x-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, UV-VIS spectroscopy, Atomic Force Microscopy (AFM), and two-probe technique. It was observed that Sb2S3 films can be obtained without any secondary phase through the applied thermal processes, the optical bandgap value can be reduced to 1.7 eV, the sulfur problem frequently emphasized in the literature can be addressed through the sulfurization process performed in the borosilicate cell designed for thermal processes, and the surface morphologies of Sb2S3 films can be modified. However, despite all the optimization efforts, it was revealed that the electrical resistivity values could not be reduced to the desired level. As a result of the studies conducted within the scope of this thesis work, detailed analyses were carried out for the optimization of Sb2S3 films, which are particularly promising materials in energy applications. The outputs, especially the method used in the sulfurization process, are believed to provide guidance for future potential research.