Güneş pilleri uygulamaları için kalın (>1μm) mikrokristal silisyum filmlerin vhf-pecvd tekniği ile pürüzsüz cam taban malzeme üzerine büyütülmesi ve iki demetli fotoiletkenlik yöntemi ile metastabilite etkilerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada eşsiz elektronik özelliklerinden dolayı çok katmanlı güneş gözesi uygulamalarında potansiyeli yüksek bir malzeme olan hidrojenlendirilmiş mikrokristal silisyum (µc-Si:H) malzemeler VHF-PECVD yöntemi ile güneş gözesi soğurucu tabaka kalınlığında (~1 µm) pürüzsüz cam taban üzerine başarı ile büyütülmüş ve bu malzemelerde farklı atmosferik koşullardan kaynaklı olarak oluşan metastabilite etkileri karanlık iletkenlik, fotoiletkenlik ve iki demetli fotoiletkenlik (DBP) yöntemleri ile incelenmiştir. Metastabilite etkileri sonucu oluşan karanlık ve foto iletkenlik bulgularındaki değişimler ile DBP yönteminden elde edilen optik soğurma katsayısı spektrumundaki değişimler ilişkilendirilerek malzemenin yasak enerji aralığında mevcut elektronik kusurlar hakkında bilgi edinilmiştir. Elde edilen bulgular doğrultusunda uzun süre laboratuar atmosferine maruz bırakılan kalın mikrokristal silisyum malzemelerde laboratuar atmosferinden kaynaklı olarak kayda değer metastabilite etkisinin oluşmadığı belirlenmiştir. Fakat, kontrollü oksijen gazı atmosferinde yaratılan metastabilite etkilerinin kalın malzemelerde birkaç katlık karanlık ve foto iletkenlik artışlarına neden olurken DBP yöntemi ile elde edilen optik soğurma katsayısı spektrumunda düşük enerji bölgesinde kayda değer bir azalma olmaktadır. Oksijen gazından sonra gerçekleştirilen ısıl işlem sonrasında oksijen gazının hem geri dönüşümlü metastabilite etkisi hem de geri dönüşümsüz instabilite etkisi yarattığı anlaşılmıştır. Elde edilen değişimlerin literatürde rapor edilen iletkenlik değişimlerinden çok daha az olduğu görülmüştür. Bu amaç ile, aynı özelliklerde büyütülen ince ( 250-300nm) mikrokristal silisyum malzemeler oksijen gazında aynı koşullarda bekletilmesi sonucu yaratılan metastabilite etkileri sonucu, karanlık ve foto iletkenlik değerlerinde bir kaç mertebelere varan artışlar gözlenirken DBP yönteminden elde edilen optik soğurma katsayısı spektrumunda bir kaç katlık azalmalara neden olmaktadır. Bir başka ifade ile malzemelerin yasak enerji aralığındaki elektronik kusur yoğunluğunun oksijen gazının etkisi ile azaldığını göstermektedir. İnce malzemelerin oksijen sonrası gerçekleştirilen ısıl işlem sonrasında ise genellikle geri dönüşümsüz instabilte etkisi sonucu malzemelerin aktivasyon enerji değerleri ciddi miktarda azalmıştır. Kalın mikrokristal silisyum malzemelerin aktivasyon enerjilerinde kayda değer bir azalma gözlenmezken ince malzemelerde kalıcı olarak malzemelerin n-tipi iletkenlik kazandığı bulunmuştur. Elde edilen bulgular ışığında oksijen gazının sadece malzeme yüzeyinde çok ince bir tabaka içine nüfuz edebildiği, bu nüfuz mesafesinin ince malzemelerin büyük bir kısmı oksijen gazına maruz kalırken kalın malzemelerin ise sadece yüzeyin çok ince bir tabakasına oksijen moleküllerinin nüfuz edebildiğini belirtmektedir. Sonuç olarak, atmosfer gazları ve/veya oksijen gazından kaynaklı metastabilite etkilerinin bir yüzey etkisi olduğu, yani yüzeye fiziksel ve/veya kimyasal olarak tutunan oksijen moleküllerinin yarattığı yüzey yük tabakalarının ciddi iletkenlik artmasına neden olurken aynı zamanda mevcut elektronik kusur yoğunluğunun kayda değer azalmasına neden olduğu elde edilen bulgulardan teyit edilmiştir.

In this thesis, thick ( >1m) hydrogenated microcrystalline silicon thin films used for the multi junction solar cell applications were successfuly deposited by the high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition method on smooth glass substrates coated with very thin adhesion layer of SiOx prior to the deposition of films. Metastability effects in these thick films due to atmospheric gasses and high purity oxygen gas was investigated by using the dark conductivity, photoconductivity and dual beam photoconductivity (DBP) methods. Optical absorption coefficient spectrum obtained from the raw DBP and optical transmission spectra were used to detect the changes in the density of defect states in the bandgap of microcrystalline silicon. The changes in the dark conductivity and photoconductivity results due to metastability effect were finally correlated with those obtained from the optical absorption coefficient spectra of the samples in order to understand the changes in the density of defect states present in the bandgap of the microcrystalline silicom.It was found that thick microcrystalline silicon thin films exposed to long term air exposure of two years do not exhibit any significant changes in the measured conductivities as well as optical absorption coefficient spectra. However, high purity oxygen exposure carried out in a cryostat caused an increase in both dark conductivity and photoconductivity by several factors and a significant decrease in the optical absorption coefficient taken at 0.9eV. Heat treatment carried out at 430 K after oxygen exposure indicate that changes in conductivities and optical absorption coefficient values were partially reversible. A partial irreversible instability effect also caused by the oxygen exposure. However, these changes in thick microcrystalline silicon films were rather found to be small as compared to those reported in thin (100nm- 400nm) microcrystalline samples. In order to compare the effects of oxygen gas in thinner samples, microcrystalline films deposited under the similar deposition condition with thickness about 250nm- 300nm were xposed to oxygen gas in silimlar time periods. In contrast to thick samples, dark conductivity and photoconductivity of thin samples inceased by several orders of magnitude, similar to the reported results in the literature. Correspondingly, optical absorption coefficient at lower energy decreased by several factors indicating a decrease in the density of electron occupied midgap states below the dark Fermi level. Heat treatment carried out at 430 K after the oxygen exposure indicated that dark conductivity and photoconductivity changes are mostly irreversible. Activation energy of dark conductivity for the samples decreased significantly representing n-type conductivity after oxygen gas treatment. It can be concluded from the results that oxygen molecules can penetrate in thick samples in such a small distance from the surface causing small changes in measured properties. However, such penetration distance in thin samples covers larger portion of the bulk of the sample and cause substantial increase in conductivities as well as significant decrease in the occupied density of states in the bandgap of microcrystalline silicon. For reversible effect, oxygen molecules attache physically to the surface of crystalline grains, which was removed by heat treatment. However, oxygen molecules make chemical bonds to the defects on the surface of crystalline grains and cause irreversible increase in conductivities as well as passivate the defect states as determined from the changes in optical absorption spectrum.