Characterization of electrochemically prepared CIS thin films

Abstract

Önümüzdeki 20 yıl içerisinde dünyadaki enerji talebinin önemli ölçüde yükselmesibeklenmektedir. Bu yükseliş nedeniyle de alternatif enerji kaynaklarına olan ilgiartmıştır.Günümüzde elektrik üretiminin büyük bir kısmı fosil yakıtlarla karşılanmaktadır.Kaynakların hızla tükenmesi ve yakıtların elektrik enerjisine dönüştürülürkenürettikleri zararlı gazlar nedeniyle çevreyi kirletmesi yenilenebilir, temiz enerjikaynaklarına gösterilen ilgi ve verilen önemin artmasına sebep olmuştur.Önemli çevre dostu enerji kaynaklarından biri güneştir. Güneş enerjisini doğrudanelektrik enerjisine çevirebilmek için güneş hücreleri kullanılmaktadır. Bunlargeleneksel ve yeni nesil olmak üzere iki çeşittir.Geleneksel güneş hücreleri kristalik silikondan yapılmaktadır. Ancak, verimlerinindaha yüksek olmasına rağmen, belirli yarı-iletkenlerin üretim için gereken miktarınındaha az olması ve daha ucuza üretilebilmeleri nedeniyle yerini yeni nesil polikristalikince-film güneş hücrelerine bırakmaktadır.İnce-film güneş hücrelerinin 3 temel çeşidi bulunmaktadır. Bunlar kullanılan yarıiletkenegöre farklılık gösteren amorf-silisyum (a-Si), kadmiyum tellürid (CdTe) vebakır indiyum (galyum) di-selenid?dir (CI(G)S).CIGS, tetragonal yapıda bir yarı-iletkendir. İnce film güneş hücrelerinde ışık emicimalzeme olarak kullanılmaktadır. Direkt geçişli bant yapısı, uygun bantaralığı(1.05eV-1.68eV) ,yüksek soğurma katsayısı (~105 Cm-1), uygun elektriksel veoptiksel yapısı ve çeşitli üretim yöntemleri için uygun olması nedeniyle yüksekverim elde edilebilen CIGS?ler fotovoltaik alanın önemli bir araştırma konusudur.Polikristal CIS ince filmlerin üretilmesinde piroliz, püskürtme, buharlaştırma,epitaksi, selenleştirme gibi yöntemler kullanılmaktadır. Elektrokaplama yöntemi iseucuz olması, vakum işlemler gerektirmemesi ve zehirli gazlar kullanılmamasısebebiyle tercih edilen bir yöntemdir. Sadece 1-2 ?m kalınlığında olan CIS?ler buyöntemle cam veya folyo üzerine monte edilebilirler. Günümüzde genellikle camkullanılan düzenlere rastlanmaktadır. Elektrokaplama ile hazırlanan CIS güneşpillerinin yüzey morfolojisi, element bileşimi, kristal yapısı, optoelektroniközellikleri ve kuantum verimliliği çeşitli makalelerde incelenmiştir.CI(G)S?ler p-tipi veya n-tipi olabilirler. Yüksek kaliteli fotovoltaik sistemlerdekullanılan CI(G)S filmler selenyum zengin ortamda üretilen p-tipi yarı-iletkenlerdir.Laboratuvar ortamında kaydedilmiş olan en yüksek verim ~%19,5?tur. Bu yüksekverim CIGS?in yüksek soğurma katsayısı, direkt geçişli bant yapısı, uygun yasakenerji bant aralığı ve uygun elektriksel ve optiksel yapısı sayesinde elde edilmiştir.CI(G)S?in yüksek soğurma katsayısı filmde güneş ışın şiddetinin %95?ininsoğurulması imkan sağlamaktadır.CI(G)S kullanılan sistemlerde cihazların davranış biçimleri tam olarakanlaşılamamaktadır. Elektriksel yapı bozukluklarının kaynakları tam olarakbilinmemektedir. Yapısal bozuklukları, katı-hal fiziği prensiplerini, üretimaşamalarını, cihazın nasıl çalıştığını ve laboratuvar ortamında elde edilendeğerlerdeki verimlilik kayıplarının sebebini anlamak daha yüksek verimli sistemlertasarlayabilmek ve üretebilmek için gereklidir.Filmlerin kristalik yapısı, kompozisyonu, yüzey morfolojisi, yasak bant genişliği veelektriksel özellikleri güneş hücrelerinin verimli çalışmasıyla doğrudan ilgili olduğuiçin, nasıl çalıştıklarının incelenmesi gerekmektedir.Elektrokimyasal yöntemle kaplanan CIS filmler UV-spektroskopi, X-Ray kırınımı,tarama elektron mikroskobu ve enerji dağılım spektroskopi yöntemleri ileincelenmiştir.

As the energy demand in the world increases, more and more extensive research isundertaken concerning renewable energy sources. Developing reliable and low-costtechnologies to make use of renewable energy sources is the main objective of manyresearch topics. Several researches are on-going to develop efficient photovoltaicdevices which are used to convert solar energy directly to electricity.New generation thin film solar cells are rapidly replacing the traditional Si solar cellsbecause less material is needed and they can be produced at a lower cost. Among thethin film solar cell materials, CIS has attracted research due to its high potential,having a direct band-gap within the maximum solar absorption region, a highabsorption coefficient and appropriate electrical and optical properties forproduction, as has been demonstrated by the ~20% conversion efficiency.The working mechanism of the CIS devices is not well understood and the causes ofdefects in the electrical structure are not well known. Structural defects, principles ofthe solid-state physics, manufacturing methods, functioning of the device andefficiency losses found in laboratory conditions should be studied in order to designand manufacture high efficiency solar cells. The subject of this study is to investigateand evaluate the CIS solar cells prepared by electro-deposition and to determine theconditions at which the cells work more efficiently.The electro-deposition was carried out in an electrochemical cell using a standardthree-electrode system. The reference electrode was saturated calomel electrode, thecounter electrode was Pt gauze, and the working electrode was a ITO-coated sodalime glass substrate. Films were deposited in an unstirred bath for 15 minutes atroom temperature, at -650mV as determined by cyclic voltammograms. Thedeposited films were rinsed with distilled water, dried in N2 gas, and selenized withAr at 400°C. The structural and optical properties of the films were analyzed by UVspectroscopy,X-Ray Diffraction and scanning electron microscopy.