CdZnTe ve CdZnS ince filmlerin hazırlanması ve incelenmesi
Preparation and investigation of CdZnTe and CdZnS thin films
Yazar: FATİH ONGÜL
Danışman: PROF. DR. EMEL ÇINGI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: CdTe film = CdTe film ; Güneş pilleri = Solar cells ; Heteroeklem = Heterojunction

Özet:
Bu çalışmada CdTe ve CdS filmlerine Zn'nin difüzyonu ile üçlü CdZnTe ve CdZnS fazları yeni elde etme teknolojisi geliştirildi. Elde edilen üçlü bileşikler ve bu üçlü bileşiklerle oluşturulmuş heteroeklemlerin yapısal, elektrik, optik, fotovoltaik parametreleri incelendi.Zn/CdTe ve Zn/CdS yapılarının, Zn'nin erime sıcaklığından daha yüksek sıcaklıklarda tavlanmasıyla üçlü fazların oluştuğu gözlenirken 400 oC'de tavlanmasıyla üçlü fazların oluşmadığı gözlendi. Üçlü fazların oluşmaması, tavlanma sıcaklığının Zn'nin erime sıcaklığından (418 oC) düşük olması ile yorumlandı. Üçlü fazın oluşmasının, Zn katkısının filmlerde reaktif difüzyon mekanizması ile ilişkili olduğu ileri sürüldü.Termal tavlama yapılan Zn/CdTe yapılarının x-ışını kırınım analizleri CdZnTe bileşiğinin oluştuğunu göstermektedir. Optik soğurma spektrum ölçümlerinden Zn/CdTe yapılarının tavlama sıcaklığına ve süresine bağlı olarak oluşan CdZnTe bileşiğinin yasak band genişliğinin 1,5 eV'den 1,66 eV'ye (520 oC) kadar arttığı gözlendi. Zn'nin CdTe filmlerine 430-520 oC aralığında difüzyonu optik soğurma spektrumları kullanılarak, Zn'nin CdTe filmlerinde sıcaklığa bağlı efektif difüzyon katsayısı D=2,5 10^-3exp(-1,30eV/kT)cm2/s olarak hesaplandı. Zn'nin n-tipi CdTe filme difüzyonu neticesinde elde edilen pCdZnTe/nCdTe heteroeklemin fotovoltaik parametrelerinin açık devre gerilimi (Voc=140 mV) ve kısa devre fotoakım yoğunluğu (Jsc=0,5 mAcm-2) olduğu belirlendi. Fotoakım nispeten küçük değeri pCdZnTe/nCdTe heteroeklemindeki yüksek özdirenciyle (10^11 ?cm) ilişkilendirildi.CdS filme Zn difüzyonu ile oluşan CdZnS üçlü bileşiğinin örgü parametrelerinin Zn konsantrasyonuna bağlı olarak değiştiği x-ışını kırınım analizlerinden belirlendi. EDXRF analizinden Zn/CdS yapısının In'nin erime sıcaklığından düşük olan 400 oC'de tavlanmasıyla Zn'nin CdS filmde efektif difüzyon katsayısı D=5 10^-14 cm2s-1 olarak belirlendi ve bu sabit kaynaktan serbest katkı difüzyonu ile karakterize edildi. CdZnS bileşiğinin yasak band genişliği, Zn/CdS yapısının tavlama sıcaklığına, tavlama süresine ve Zn kalınlığına bağlı olarak arttığı gözlendi. CdS filmin yasak band genişliği 2,43 eV iken oluşturulan CdZnS üçlü bileşiğinin yasak band genişliğinin 2,71 eV'ye kadar arttığı optik soğurma spektrumlarından belirlendi. Bu değişken band yapısının yasak band genişliği filmin yüzeye yakın bölgede 2,71 eV iken iç bölgelere gittikçe 2,43 eV'ye kadar düşmektedir.CdZnS/CdS/CdTe güneş pillerin akım-gerilim karakteristiklerinden fotovoltaik parametreleri Voc=500 mV Jsc=4,1 mA/cm2 olarak ölçüldü. CdZnS/CdTe ve CdZnS/CdS/CdTe pillerin CdS/CdTe pillerine oranla fotovoltaik özelliklerinin daha yüksek ve fotoduyarlılık spektrumun daha geniş olması, CdZnS üçlü bileşiğinin CdS filme oranla daha geniş yasak band genişliğine ve geniş ?pencere? özelliğine sahip olmasıyla ilişkilendirildi.

Abstract:
In this study, a new technology was improved to obtain CdZnTe and CdZnS ternary phases by diffusion of Zn in CdTe and CdS films. The structural, electrical, optical and photovoltaic parameters of obtained ternary compounds and heterojunctions acquired by them have been investigated.Obtaining to ternary phases of Zn/CdTe and Zn/CdS structures was observed by annealing at higher temperature than melting point of Zn not at 400 oC. It can be related annealing temperature, which is smaller than the melting point of Zn (418 oC). It was supposed that obtaining to ternary phases related to the reactive diffusion mechanism in films doped Zn.X-ray diffraction study of Zn/CdTe structures exposed to thermal annealing indicates the formation CdZnTe compounds. Analysis of the absorption spectra of annealed Zn/CdTe structures, it is observed that the former (1,66eV) energy band gap of CdZnTe compounds is larger than that the latter (1,50 eV) related to annealing temperature and time. Using of optical absorption spectra, the temperature dependence of the effective diffusion coefficient of Zn in CdTe in the range of 430-520 oC is described as D=2,5 10^-3exp(-1,30eV/kT)cm2/s. The open circuit voltage and short-circuit photocurrent density of a pCdZnTe/nCdTe heterojunction formed as a result of Zn diffusion into n-type CdTe film are determined Voc=140 mV and Jsc=0,5 mAcm-2, respectively. The low value of the short-circuit photocurrent can be related to the high series resistance of the CdZnTe/CdTe heterjunction (of about 10^11 ?cm).Lattice parameters of CdZnS ternary compounds formed as a result of Zn diffusion in CdTe thin films were changed related to Zn concentration from x-ray diffraction analysis. It is established that thermal annealing of Zn/CdS structure at temperature (400 oC) lower than the melting point of Zn results in concentration distribution of Zn in CdS film described by an erfc-curve (D=5 10^-14 cm2s-1) and characterizing the free impurity diffusion from a constant source. It is observed that band gap of CdZnS compound increases related to annealing temperature and time of Zn/CdS structure, and thickness of Zn on CdS. Analysis of the abruption spectrum of such films indicates formation CdZnS composition with the largest value of energy band gap up to 2,71 eV, exceeding the band gap of CdS (2,43 eV). The band gap of this variable band structure changes from 2,71 eV in the near surface region to 2,43 eV (CdS) in the film.From current-voltage characteristics, photovoltaic parameters of CdZnS/CdS/CdTe solar cells were measured as Voc=500 mV Jsc=4,1 mA/cm2. CdZnS/CdTe and CdZnS/CdS/CdTe solar cells have higher photovoltaic properties and wider photosensitivity spectrum than CdS/CdS solar cells. It is related to CdZnS ternary compound have larger energy band gab and window properties than CdS film.