Cu2ZnSnS4 (CZTS) tabanlı ince film güneş hücrelerinde film homojenliğinin hücre verimi üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of effects of the film homogeneity on the cell efficiency of Cu2ZnSnS4 (CZTS) based thin film solar cell
Yazar: MEHMET ALİ OLĞAR
Danışman: PROF. DR. EMİN BACAKSIZ ; PROF. DR. LÜTFİ ÖZYÜZER
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell ; Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films ; Ön tavlama = Pre-annealing

Özet:
Bu çalışmanın ilk aşamasında, değişik metalik katman dizilimleri kullanılarak en uygun katman dizilimi belirlendi. İkinci aşamada ise önerilen katman diziliminde (Mo/Cu/Sn/Zn/Cu), Mo/Cu/Sn yapısına uygulanan ön tavlama işleminin Cu2ZnSnS4 (CZTS) bileşiğinin karakteristik özellikleri üzerindeki etkisi incelendi. CZTS ince filmler, molibden (Mo) kaplı cam üzerine DC magnetron ve devamında hızlı tavlama yöntemleri kullanılarak büyütüldü. Mo/Zn/Sn/Cu ve Mo/Cu/Sn/Zn/Cu metalik katman dizilimleri, 500, 550 ve 600 °C değerleri ise sülfürleme sıcaklıkları olarak belirlendi. GDOES verileri, artan sülfürleme sıcaklığının filmin homojenliğini iyileştirdiği ve Mo/Cu/Sn/Zn/Cu katman diziliminin daha iyi sonuçlar verdiğini gösterdi. XRD ve Raman spektrumları CZTS fazı oluşumunun yanında ikincil fazların oluştuğunu ve 600 °C sıcaklıkta sülfürlenen örneklerin kristal kalitesinin daha iyi olduğunu gösterdi. Çalışmanın ikinci kısmında, Mo/Cu/Sn/Zn/Cu katman dizilimindeki Mo/Cu/Sn yapısı 200 ve 380 °C sıcaklıklarda ön tavlama işlemlerine maruz bırakılarak ön tavlama işleminin ve sıcaklığının örnekler üzerindeki etkisi incelendi. XRD ve Raman spektrum verileri CZTS yapısının oluştuğunu gösterdi. GDOES verileri ön tavlama işleminin kimyasal kompozisyon dağılımını iyileştirici yönde etki ettiğini gösterdi. PL ve yasak enerji verileri, ön tavlama işleminin optik özellikler üzerinde önemli bir değişikliğe sebebiyet vermediğini gösterdi. En iyi güneş pili hücre performansı % 2,2'lik verim değeri ile 200 °C ön tavlama işlemine tabi tutulan örneklerde elde edildi.

Abstract:
In the first stage of this study, various metallic stacking order layers were utilized and the most promising one determined. In the second stage of this study, the effect of pre-annealing treatment of Mo/Cu/Sn in the determined stacking order (Mo/Cu/Sn/Zn/Cu) on the properties of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films was investigated. CZTS thin films were grown on Mo coated glass by DC magnetron sputtering deposition of metallic precursor layers, followed by a thermal annealing step in Rapid Thermal Processing (RTP) system. Mo/Zn/Sn/Cu and Mo/Cu/Sn/Zn/Cu were used as metallic stacking order layers, 500, 550, and 600 °C values were selected as the reaction temperatures. The GDOES data showed that increasing the reaction temperature gave rise to enhancement in the homogeneity of the films and Mo/Cu/Sn/Zn/Cu stacking order was appeared more promising one in terms of the homogeneity of the film. XRD and Raman spectra of the films exhibited and proved formation of CZTS structure and other secondary phases. In the second stage of this study, the Mo/Cu/Sn structure of the Mo/Cu/Sn/Zn/Cu stacking order was exposed to pre-annealing treatment at 200 and 380 °C to see impact of the pre-annealing treatment and pre-annealing temperature. XRD and Raman spectra of the films proved formation of CZTS structure. GDOES data revealed that pre-annealing treatment enhanced homogeneity of films. PL and optical band gap values showed that the pre-annealing treatment did not change the optical properties of the films. The best solar cell performance was achieved with 2.2 % conversion efficiency in the CZTS samples which are pre-annealed at 200 °C.