CuIn0.7Ga0.3(Se(1-x)Tex)2 ince filmlerin üretimi, yapısal, morfolojik ve optik özelliklerinin incelenmesi
The production of CuIn0.7Ga0.3(Se(1-x)Tex)2 thin films, analyzing of the structural, morphological and optical properties
Yazar: SONGÜL FİAT
Danışman: PROF. DR. GÜVEN ÇANKAYA
Gaziosmanpaşa Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Atomik kuvvet mikroskobu = Atomic force microscope ; Kalkopirit kristali = Chalcopyrite crystal ; Mikroskopi-elektron taramalı = Microscopy-electron scanning ; Optik özellikler = Optical properties ; Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell ; Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films

Özet:
Çok kristalli ince film yapılarından olan bakır-indiyum-galyum-selenyum, Cu(In,Ga)Se2 malzemeleri; bakır, indiyum, galyum ve selenyum oranlarına göre 1,04-1,68 eV arasında olan yasak bant aralığı güneşin spektrumu ile ideal bir şekilde uyuşacak biçimde ayarlanabildiğinden, fotovoltaik uygulamalarında yaygınca kullanılmaktadır. Periyodik tablonun I, III ve VI grup elementlerin üçünün ya da daha fazlasının bir araya gelmesi ile oluşan bu bileşik yarıiletkenlerinin soğurma katsayıları (?=104-105cm-1) yüksek olup; soğurucu olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu tür materyallerin özel uygulamaları için yeni bir çalışma olarak Se ile Te farklı oranlarda yer değiştirerek katkılanmasıdır. Üretim safhası iki aşamada gerçekleşmiştir. İlki malzemelerin önreaksiyonu ile CIGSeTe kristallerinin üretilmesi ve sonraki aşama elektron buharlaştırma yöntemi ile ince film olarak cam alttaşlar üzerine kaplanmasıdır. 0,0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 ve 1,0 şeklinde altı farklı x katkılama oranı ile üretilen malzemelerimiz; 0,0; 0,2; 0,4 oranları için, 450 oC, 475 oC, 500 oC, ve 525 oC gibi farklı tavlama sıcaklıklarında ve de 0,6; 0,8 ve 1,0 oranları için ise 525 oC, 550 oC 575 oC ve 600 oC tavlama sıcaklıklarında tavlanmıştır.Yapısal olarak, hazırlanan CuIn0.7Ga0.3(Se(1-x)Tex)2 malzemelerinin X-ışınları analizine bakılmıştır ve tavlanmadan önce malzemenin kristal yapıda olduğu tespit edilmiştir. Tüm farklı x oranları için, kalkoprit fazının oluştuğu ve tavlama sıcaklığı ve Te oranı arttıkça kristal yapıda iyileşme olduğu gözlendi. CuIn0.7Ga0.3(Se(1-x)Tex)2 filmlerinin morfolojik özellikleri iletim modunda AFM ve SEM haritaları ile analiz edilmiştir. Tavlanmamış ve tavlanan filmlere bakıldığında yüzey morfolojisinde tavlamanın büyük etkisi olmuştur. Yasak enerji değerleri 1,21-1,00 eV aralığında bulunmuştur. Elementel analiz için EDAX (Enerji Dağılımlı X-ışınları Spektroskopisi) spektroskopisi kullanılmıştır, ve sonuçlardan yapıda istenmeyen fazların olduğunu ama genel itibariyle malzemelerin istenen elementlerden ve beklenen oranlarda elde edildiği gözlenmiştir. Tüm karakterizasyon sonuçları gösteriyor ki, malzememiz güneş pili yapımı için ideal bir soğurucu tabaka olarak çalışabilir.

Abstract:
Thin film polycrystalline Cu(In,Ga)Se2 materials which are combined copper, indium, gallium and selenium have been investigated extensively for use in photovoltaic devices because of its band gap between 1,04-1,68 eV that can be adjusted to amounts of copper, indium, gallium and selenium are considered suitable for solar energy conversion. The absorption coefficients of I, III and VI group elements are combined three or more elements are high (?=104-105cm-1) and are used extensively as absorber layer. A new aspect for the specific application of such materials is to partially replace Se by Te. The production process have two steps. First one is pre-reaction of CIGSeTe crystals and other one is thin film coating on glass substrates with e-beam evaporation. The produced films with six different x amounts 0,0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 and 1,0 are annealed at different annealing temperatures ; for 0,0; 0,2; 0,4 amounts, 450 oC, 475 oC, 500 oC, and 525 oC annealing temperatures were used, and for 0,6; 0,8 and 1,0 amounts 525 oC, 550 oC 575 oC and 600 oC annealing temperatures were applied.X-ray diffraction patterns of the prepared CuIn0.7Ga0.3(Se(1-x)Tex)2 compounds with six different compositions for all x values were examined and it was seen that the as-grown thin films were crystalline in nature. For different composition ratios x, different chalcopyrite phases showed up at each annealing temperature also crystallinity increased with increasing annealing temperature and Te amount in the sample. Morphological properties of the CuIn0.7Ga0.3(Se(1-x)Tex)2 thin films have been performed using AFM and SEM maps with contact mode. It was found that the growth conditions and the annealing temperature have a strong influence on the surface topography of the CIGS films for the AFM images of the as-deposited and the annealed films.. The energy gap ranged from 1,21 to 1,00 eV observed. The elemental analyzes were achived with EDAX (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) Spectroscopy and even though we observed some unwanted phases; on the whole, the results show that our materials have the wanted elements and expected amounts. All these characterization results presents us that, this material can be an ideal absorber layer for solar cell production.