Güneş pili uygulamaları için bakır indiyum sülfür absorblayıcı filmlerin ultrasonik sprey ısıl ergime yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

CuInS2 ince filmler I-III-VI2 grubu elementlerinin oluşturduğu 1,5 eV direkt bant aralığına ve yüksek absorbsiyon katsayısına sahip kalkopirit kristal yapıda bir yarıiletkendir. Bu özellikleri sayesinde CuInS2 ince filmler kullanılarak yüksek verimli ince film güneş pilleri elde edilebilir. Sunulan tez kapsamında CuInS2 ince filmler ultrasonik darbe etkili başlıkların kullanıldığı sprey ısıl ergime sistemi ile elde edilmiştir. Bu teknolojide hazırlanan ön çözeltiler piezoelektrik kristaller vasıtasıyla çok küçük damlacıklar şeklinde püskürtülürler. Bu durum homojen ve kusursuz filmlerin elde edilmesine olanak sağlar. Sunulan tez çalışmasında çözelti miktarı, çözelti stokiyometrisi, alt taş sıcaklığı, püskürtme oranı ve çözücü gibi önemli sistem parametreleri ile kontrollü çalışmalar yapılmıştır. CuInS2 filmlerin yapısal özellikleri X-ışını Kırınımı, Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi ve X-ışını Fotoelektron spektroskopisi teknikleri ile yapılmıştır. Optik karakterizasyonlar için geçirgenlik ölçümleri UV-VIS-NIR spektroskopisi ile yapılmıştır. Elektriksel direnç ve fotohassasiyet değerleri oda sıcaklığında yapılan I-V ölçümleri ile belirlenmiştir. Bunlara ek olarak, taşıyıcı yoğunluğu ve mobilite değerlerinin hesaplanması için sıcaklık bağımlı elektriksel iletkenlik ve Hall ölçümleri yapılmıştır. CuInS2 üzerinde yapılan yapısal analizler çözelti içerindeki Cu derişiminin ve alt taş sıcaklığının artışının film kristalinitesini kritik olarak değiştirdiğini göstermiştir. Düşük çözelti akış hızlarının uygulandığı ve alkol esaslı çözücülerden elde edilen filmler daha homojen ve yüzeylerinde aglomerasyonların olmadığı filmlerin elde edilmesine olanak sağlamıştır. Optik geçirgenlik verilerine göre, elde edilen tüm filmlerin, yüksek verimli güneş hücrelerinin üretimi için gerekli olan yüksek soğurma katsayısı ve uygun yasak bölge enerji aralığına sahip olduğu saptanmıştır.

CuInS2 thin films are one of the I-III-VI2 chalcopyrite-type mixed crystal semiconductor having direct band gap around 1.5 eV and high absorption coefficient. Hence, it is possible to produce highly efficient thin film solar cells from CuInS2 as the absorber layer. In this thesis, CuInS2 thin films have been deposited using spray pyrolysis system equipped with ultrasonic impact nozzle. With this technology, precursor solution is ultrasonically excited using piezoelectric crystals to generate very fine droplets. This allows deposition of homogenous and defect free films. Here, effects of system parameters, such as solution amount, stoichiometry, substrate temperature, infuse rate and solvent type on the film properties have been investigated. Structural properties of the CulnS2 thin films were examined through X-ray Diffraction, Energy Dispersive X-ray Analysis and X-Ray Photoelectron Spectroscopy. For the optical characterization of CuInS2 films, the transmission measurements have been carried via UV-VIS-NIR spectroscopy. Electrical resistivity and the photosensitivity of the films have been determined from room temperature I-V measurements. Moreover, temperature dependent electrical conductivity have been performed to investigate the carrier concentrations and the mobility CuInS2 films. Structural characterization of CuInS2 films revealed that both increasing the Cu concentration in precursor and the substrate temperature improved the crystallinity of the films. Low infuse rate values and alcoholic solutions allowed to deposit very homogeneous and agglomerate free films. According to optical transmission data all sprayed films showed high absorption coefficient and desired optical band gap values, which is required for high efficiency absorbers.