Saçtırma yöntemi ile Cu2ZnTi(S:Se)4 soğurucu katman biriktirilmesi ve güneş gözesi üretiminde kullanılması

Abstract

Fotovoltaik (PV) hücre üretimi, katma değerin yüksek olduğu, yenilik ve geliştirme faaliyetinin yoğun olduğu bir alandır. CuInSe2(CIS) ve Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) gibi üçlü polikristalkal kopiritler %20'lere varan verimleriyle ince film güneş pilleri olarak oldukça ilgi görmektedir. Ticari CIGS temelli ince film güneş gözleri In ve Ga elementlerinin doğada az bulunması ve yüksek fiyatları nedeniyle uygulamada sınırlı kalmaktadır. Bundan dolayı doğada az bulunan elementleri kolay temin edilenlerle değiştirmek mecburi hale gelmiştir. Bu amaçla In ve Ga gibi yüksek maliyetli elementler içermeyen Cu2ZnSnS4 (CZTS) ve benzeri ince filmleri kullanılarak güneş hücreleri geliştirilmeye başlanmıştır. Cu2ZnTi(S:Se)4 (CZTiS:Se) 1.04 eV direk bant genişliğine sahip olması ve yüksek soğurma katsayısı (104 cm-1) nedeniyle alternatif bir bileşik olarak kullanılabilecek umut vadeden bir materyaldir. CZTiS:Se nadir ve pahalı elementleri içermemesinden dolayı düşük fiyatlı ticari sistemlerde kullanılma potansiyeline sahiptir. Son yıllarda CZTiS:Se ince filmlerin üretimi ve bu filmler ile güneş gözesi üretimi üzerine yapılan çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmamızda CZTiS:Se ince filmlerin PV sistemlerde daha etkin kullanılabilmesi amacıyla, eş zamanlı reaktif magnetron saçtırma yöntemi kullanılarak, CZTiS:Se filmleri camlar üzerine oluşturuldu, yapısal, elektriksel ve optik özelliklerinin, üretim koşullarına bağlı değişimleri incelendi. Oluşturulan ince filmlerin morfolojik, optik, elektriksel, sıcaklığa bağlı iletkenlik, fotoiletkenlik ve yapısal özellikleri SEM- EDS, UV-VIS verileri, Hall Etkisi, XRD ve Raman spektroskopisi yöntemleri ile araştırıldı. Optik, elektriksel ve yapısal özellikleri tayin edilen CZTiS:Se ince filmler kullanılarak güneş gözeleri oluşturulmuş ve bu gözelerin elektriksel ve fotovoltaik özellikleri incelenip, elde edilen ince filmlerin PV performansına etkisi araştırılmıştır. Sonuç olarak, CZTiS:Se ince filmlerin klasik CIGS ve CZTS tabanlı güneş hücrelerinde alternatif soğurucu katman olabileceği gösterilmiştir.

Photovoltaic (PV) cell production is an area where value added is high and innovation and development activities are intense. Triple polycrystalline chalcopyrites such as CuInSe2 (CIS) and Cu (In,Ga)Se2 (CIGS) are very popular as thin film solar cells with up to 20% efficiency. CIGS based commercial thin film solar cells are limited in practice due to the low availability of In and Ga elements and high prices. Therefore, it has become obligatory to replace the rare elements in nature with those that are easily provided. For this purpose, solar cells have been developed using Cu2ZnSnS4 (CZTS) and similar thin films which do not contain high cost elements such as In and Ga. Cu2ZnTi (S:Se)4 (CZTiS:Se) is a promising material that can be used as an alternative compound due to its direct bandwidth of 1.04 eV and its high absorption coefficient (104 cm-1). CZTiS:Se does not contain rare and expensive elements and therefore has the potential to be used in low priced commercial systems. In recent years, CZTiS thin film production and the studies on the production of these cells with the solar cells have been done. In this study, in order to use CZTiS:Se thin films more effectively in PV systems, using the reactive magnetron co-sputtering method, CZTiS:Se films were formed on glass, and the structural, electrical and optical properties of the films were investigated. The morphological, optical, electrical, temperature dependent conductivity, photoconductivity and structural properties were investigated using SEM-EDS, UV-VIS data, Hall Effect, XRD and Raman spectroscopy methods. By using CZTiS: Se thin films whose optical, electrical and structural properties have been determined, solar cells have been formed and the electrical and photovoltaic properties of these cells have been examined and the effect of these thin films on PV performance has been investigated. In conclusion, it has been shown that CZTiS:Se thin films can be an alternative absorber layer in conventional CIGS and CZTS based solar cells.