Fotovoltaik uygulamalar için sıçratma yöntemi ile üretilen ZnO ince filmlerde katkı elementlerinin etkisi
Etching of the thin films produced with sputtering method effects of the doping elements and photovoltaic applications
Yazar: ÜMMÜ MUSTAFAOĞLU
Danışman: PROF. DR. AHMET KARAASLAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Saydam iletken oksit filmler (SİO), yüksek elektriksel iletkenlik ve optik özelliklere sahip fotovoltaik malzemelerdir. Güneş pili, düz panel, dokunmatik ekran, kontrol paneli ve mimari uygulamarda kullanılmaktadırlar. Yüksek optik geçirgenlik ve elektriksel iletkenliklerinden dolayı fotovoltaik uygulamalarda güneş pillerinin ön ve arka yüzey elektrodu olarak tercih edilmektedirler.
Saydam iletken oksitler arasından ZnO yüksek elektriksel ve optik özelliklerinin yanında, geniş bant aralığı, kolay bulunabilirlik, zehirli olmama gibi özellikleri sayesinde günümüzde SİO malzemesi olarak fazlasıyla tercih edilmektedir. ZnO kaplamalardan beklenen özelliklerin uzun vadede ve daha yüksek performanslarla sağlanabilmesi için katkı elementleri ilavesi yapılmaktadır. Çünkü kullanım alanı gün geçtikçe genişleyen ince filmlerden elde edilen performans oldukça önemli bir parametredir ve bu performans film üretim tekniği ve film büyütme sonrasında uygulanan işlemler ile doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle ZnO filmlere Al ve Ga gibi element ilaveleri yapılmaktadır. 
ZnO filmleri birçok biriktirme tekniğiyle elde etmek mümkündür. Bu tekniklerden birisi olan manyetik alanda sıçratma; işlem kolaylığı, enerji tasarrufu ve elde edilen sonuçlar bakımından oldukça avantajlı bir yöntemdir. 
Fotovoltaik uygulamalarda kullanılacak olan ZnO, ZnO:Al ve ZnO:Ga ince filmlerin optik geçirgenlik, ışık tuzaklama kabiliyeti ve ışık saçılımı gibi özellikleri ne kadar yüksek olursa kullanıldıkları fotovoltaik sistemlerin verimi de o kadar artmaktadır. Ancak sıçratma sonrasında meydana gelen filmlerin yüzey yapıları pürüzsüz olduğu için ışık tuzaklama kabiliyetleri düşüktür. Bu nedenle, fotovoltaik sistemlerde verim sağlanması için film büyütme sonrasında yüzey pürüzlendirme işlemlerine ihtiyaç duyulmaktadır.. Yüzey pürüzlendirme sonucunda daha kaba yüzeyler elde edilmektedir ve kabalaşmış film yüzeyindeki kırılma indisi farkı sayesinde ışık tuzaklama kabiliyeti artmaktadır. 
Bu çalışmada, a-Si: H, a-Si: H katlı, a-Si: H/μc-Si: H gibi ince film kullanılan güneş pillerinde ihtiyaç duyulan uygun pürüzlülük, düşük özdirenç ve yüksek optik geçirgenlik gibi özelliklerin; film büyütme sonrasında uygulanan kimyasal yüzey pürüzlendirme işlemi ile karşılanabilmesi amaçlanmıştır.
Büyütülen ve pürüzlendirilen ZnO:Al ve ZnO:Ga filmlerin özelleiklerinin tayini için çeşitli karakterizasyon yöntemleri kullanılmıştır. Filmlerin özdirenç ölçümleri için dört uçlu prob kullanılmıştır. Yüzey pürüzlülükleri atomic kuvvet mikroskobu (AFM) ile elde edilirken, kalınlık değerleri taramalı electron mikroskobu (SEM) yardımıyla ölçülmüştür. Optik geçirgenlik tayini için spektrofotometre (UV-VIS) kullanılmıştır. Pürüzlendirme sonucunda elde edilen filmlerin verimlilikleri, optik geçirim değerinin özdirence oranı ile elde edilen başarım ölçütü değeriyle hesaplanmıştır.
Yüzey pürüzlendirme deneyleri sonucunda ZnO:Al ve ZnO:Ga filmlerin özdirenç değerleri x10-3 Ω.cm mertebesinde ölçülmüştür. NH4Cl ile pürüzlendirilen ZnO:Al filmlerin optik geçirim değerleri ortalama %83 ve yüzey pürüzlüğü ortalama (RMS) 18 nm'dir. HCl ile pürüzlendirilen ZnO:Al filmlerin ise geçirgenlik ve pürüzlülük değerleri ortalama %84 ve 9 nm'dir. 
ZnO:Ga filmlerin HCl ile pürüzlendirilmesi sonucunda filmlerin  RMS değerleri ortalaması 24 nm ve optik geçirim değerleri ortalaması %84 olarak hesaplanmıştır. HF ile pürüzlendirme sonucunda ise ortalama RMS değeri 10,68 nm ve ortalama optik geçirgenlik değeri artışı %24 olarak ölçülmüştür.
ZnO:Ga filmlerde pürüzlendirme etkisini arttırmak amacıyla %0,1'lik HCl çözeltisine HCl/HNO3  oranı 5:1, 4:1, 3:1 ve 2:1 olacak şekilde HNO3  ilavesi yapılmış ve filmler 15 saniye boyunca aşındırılmıştır. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda HCl/HNO3  oranı 5:1, 4:1, 3:1 ve 2:1 olan çözeltilerde özdirenç değerleri sırasıyla 26,96 ×10-4 Ω.cm, 24,50 ×10-4 Ω.cm, 24,72 ×10-4 Ω.cm, 15,56×10-4 Ω.cm ve ortalama pürüzlülük değerleri 7,6 nm, 32,16 nm, 17,92nm ve 23,56 nm olarak ölçülmüştür. En yüksek pürüzlülük değeri 32,16 nm olarak elde edilen, 4:1 oranındaki HCl ve HNO3 ile hazırlanan çözelti ile pürüzlendirilen ZnO:Ga film, fotovoltaik uygulamaya aktarılmıştır.

Abstract:
Transparent conductive oxide films (SIO) are photovoltaic materials with high electrical conductivity and optical properties. They are used in solar cell, flat panel, touch screen, control panel and architectural applications. Due to their high optical transparency and electrical conductivity, solar batteries are preferred as front and back surfaces in photovoltaic applications.
Among the transparent conductive oxides, ZnO is highly preferred as TCO material due to its high electrical and optical properties as well as wide band gap, easy availability and non-toxicity properties. Doping elements are added in order to achieve the expected properties of ZnO coatings over long spans and higher performances. Because, the performance obtained from thin films that are used day by day is a very important parameter. This performance is directly related to the film production technique and the processes applied after the film enlargement. For this reason, element attachments such as Al and Ga are made in ZnO films.
ZnO films can be obtained with many deposition techniques. One of these techniques, the magnetron sputtering; is a very advantageous method in terms of process simplicity, energy saving and the results obtained.
The higher the properties of ZnO, ZnO: Al and ZnO: Ga thin films to be used in photovoltaic applications such as optical transparency, light trapping ability and light scattering, the higher the utilization of the photovoltaic systems they use. However, the films that come out after sputtering have a poor light trapping ability because the surface structures are smooth.
For this reason, surface roughening processes are required after film magnification in order to obtain efficiency in photovoltaic systems. Surface roughening results in rough surfaces and increased light trapping capability due to the refractive index difference on the roughened film surface.
In this study, properties such as a-Si: H, a-Si: H-layer, a-Si: H / μc-Si: H thin film solar cell with appropriate roughness, low resistivity and high optical transparency required; It is aimed to be able to cope with the chemical surface roughening applied after film deposition. Various characterization methods have been used to characterize the deposited and roughened ZnO: Al and ZnO: Ga films. 
Four-terminal probes were used for resistivity measurements of films. Surface roughness was obtained by atomic force microscopy (AFM), while thickness values were measured by scanning electron microscopy (SEM). Spectrophotometer (UV-VIS) was used for optical permeability determination. The efficiency of the films obtained as a result of the roughening is calculated by the value of the performance criterion obtained by the proportion of the optical transmission value.
As a result of the surface roughening tests, the resistivity values of ZnO: Al and ZnO: Ga films were measured in the order of x10-3 Ω.cm. 
The optical transparency of NH4Cl-roughened ZnO: Al films averages 83% and the surface roughness average (RMS) is 18 nm. The transmittance and roughness values of HCl-roughened ZnO: Al films are 84% and 9 nm on average. 
As a result of the roughening of the ZnO: Ga films with HCl, the RMS values of the films were calculated to be 24 nm and the optical transmittance values averaged 84%.With HF roughening the average RMS value was measured to be 10.68 nm and the average optical transmittance value increase to be 24%.