III-V grubu uzay kalifiye güneş hücrelerinin geliştirilmesi
Development of III-V group space qualified solar cells
Yazar: TUNÇ SERTEL
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN ÖZÇELİK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, ülkemiz yenilenebilir enerji ve uzay çalışmalarında bir kilometre taşı oluşturacak uzay kalifiye nitelikte güneş hücresi üretimi gerçekleştirildi. Bu amaçla tezin ana hedefi, uzay şartlarına dayanabilecek nitelikte, AM0 ışınımı altında verimi % 25'in üzerinde olan GaInP/GaAs/Ge üç eklemli güneş hücrelerinin üretilmesi olarak belirlendi. Ardından amaca uygun olarak, GaInP/GaAs/Ge üç eklemli güneş hücre yapısı moleküler demet epitaksi (MBE) tekniği ile epitaksiyel olarak büyütüldü. Fotolitografi ve metalizasyon süreçlerinin optimizasyon çalışmaları sonucunda yüksek tutunma dayanımına, düşük difüzyona ve düşük kontak direncine sahip yaklaşık 5 m kalınlığındaki AuNiGe/Ag/Ti çok katmanlı metalizasyon yapısının hücre yapısı için en uygun metalizasyon olduğu görüldü. Yansıma önleyici katman oluşturulması çalışmaları, optik, morfolojik ve elektriksel özelliklerde en büyük iyileşmeyi yaratan SiO2/Al2O3/TiO2 üç-katmanlı ARC yapısının hücre yansıtıcılığını 300-1800 nm aralığında % 6'ya düşürdüğünü, hücre verimliliğini ise yaklaşık % 20 oranında arttırdığını gösterdi. Tez çalışmasının ana ürünü olan 17 cm2 alana sahip prototip hücreler, AuNiGe/Ag/Ti metalizasyona ve SiO2/Al2O3/TiO2 yansıma önleyici katmana sahip olacak şekilde üretildi. Üretilen güneş hücrelerinin standartlara uygun biçimde gerçekleştirilen kalifikasyon testlerinin sonuçları, uzay şartlarına dayanabilecek nitelikte ve standartta belirtilen kriterleri karşılayan güneş hücresi üretiminin başarıldığını gösterdi. Tez çalışmasında üretilen GaInP/GaAs/Ge üç eklemli güneş hücrelerinin AM0 ışınımı altındaki verimlilik değerlerinin % 25,74 ile % 26,71 aralığında olduğu görüldü. Elde edilen bu verimlilik değerleri, tezin ana hedefi olan yaklaşık % 25 verime ve uzay kalifiye niteliklere sahip prototip güneş hücresi üretiminin başarıldığını gösterdi. Bu tez çalışmasında üretilen, AM0 ışınımı altında yaklaşık % 27, AM1.5G ışınımında ise yaklaşık % 35 verime ulaşabilen güneş hücrelerinin, uzay uygulamaları için ülkemiz adına bir ilk olmasının yanı sıra, yeryüzü uygulamaları için de ülkemiz yenilenebilir enerji çalışmalarına önemli bir katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
In this thesis, a space-qualified solar cell was produced that will constitute a milestone in renewable energy and space studies in our country. For this purpose, the main goal of the thesis has been determined as the production of GaInP/GaAs/Ge triple-junction solar cells with an efficiency over 25 % under AM0 radiation and capable of withstanding space conditions. Then, in accordance with the purpose, the GaInP/GaAs/Ge triple-junction solar cell structure was grown epitaxially by using molecular beam epitaxy (MBE) technique. As a result of the photolithography and metallization optimization studies, it was seen that the approximately 5 m thick AuNiGe/Ag/Ti multilayer metallization structure with high bond strength, low diffusion and low contact resistance was the most suitable metallization for the cell structure. Anti-reflective layer formation studies showed that the cell reflectivity reduces up to 6 % in the 300-1800 nm range and the cell efficiency increases approximately 20 % by using SiO2/Al2O3/TiO2 triple-layer ARC structure which creates the greatest improvement in optical, morphological and electrical properties. The prototype cells as the main product of the thesis with an area of 17 cm2 were produced with AuNiGe/Ag/Ti metallization and SiO2/Al2O3/TiO2 anti-reflective layer. The results of the space qualification tests of the produced solar cells which is performed in accordance with the standards showed that the production of solar cells that can withstand space conditions and meet the criteria specified in the standard was achieved. It was observed that the efficiency values of produced GaInP/GaAs/Ge triple-junction solar cells were between 25,74 % and 26,71 % under AM0 radiation. The obtained efficiency values showed that prototype solar cells as the main goal of the thesis were successfully achieved with approximately 25 % efficiency and space-qualified quality. It is thought that the solar cells produced in this thesis study, which can reach approximately 27 % under AM0 radiation and approximately 35 % in AM1.5G radiation, are not only a first for our country for space applications but also will make a significant contribution to renewable energy studies in our country for terrestrial applications.