Fotovoltaik Ge-ZnO nanokompozit ince filmlerin hazırlanması ve fiziksel özelliklerinin araştırılması

Abstract

Bu tez çalışmasında, günümüzde ticari olarak üretilen güneş pillerine alternatif bir yöntem olan ara bant güneş pillerinde kullanılma potansiyeline sahip Çinko- Oksit: Germanyum (ZnO: Ge) nanokompozit ince filmler hazırlanmıştır. Bu yapıların sentezinde RF magnetron kopartma tekniği kullanılmıştır. Geniş yasak enerji aralığına sahip olan yarıiletken ZnO yapısına farklı büyüklüklerde Ge nanoparçacıklar eklenerek ZnO yapısının optik bant genişliği değiştirilerek ZnO: Ge nanokompozit yapının ışığa tepkisi irdelenmiştir. ZnO: Ge nanokompozit yapının elde edilmesi için kuartz ve silikon alttaşlar üzerine farklı kalınlıklarda ZnO ve Ge tabakaları kaplanmış, sonradan tavlama ile Ge katmanın kümelenerek nanoparçacık şeklini alması sağlanmıştır. Standart ve hızlı tavlama yöntemleri ile farklı sıcaklık ve tavlama süreleri ile oluşturulan Ge nanoparçacıkların yapısal, optik ve elektriksel özelliklere etkileri belirlenmiştir. Örnekler X- Işınları kırınımı (XRD) ve X- Işınları fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile yapısal analizleri yapılmış, spektrofotometre yardımı ile de optik bant genişlikleri hesaplanmıştır. Optik soğurma ölçümlerinden elde edilen Tauc eğrilerinden Ge nanoparçacıklarının kristal büyüklükleri azaldıkça hazırlanan ince filmlerin yasak enerji aralıkları 3,05 eV?tan 2,88 eVa kadar azaldığı görülmüştür. Nanokompozit örneklerin elektriksel özellikleri, özdirençleri ve taşıyıcı yoğunluklarının belirlenmesi için Van Der Pauw tekniği kullanılarak direnç ve aynı geometride Hall ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca karanlık ve aydınlık koşullarda gerçekleştirilen I- V ölçümlerinden, saf ZnO ile Ge katkılanmış ZnO örneklerinin fotoakım değerleri incelenmiş ve ZnO: Ge örneklerinin fotoakımlarının saf ZnO?ya göre 103 kat daha fazla olduğu görülmüştür. Bu sonuç ise gelen ışığın katkılanan Ge nanoparçacıklara bağlı olarak yarı iletkende saf ZnO?ya göre daha fazla elektron boşluk çifti oluşturarak fotoakıma katkıda bulunduğunu göstermektedir.Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik, RF magnetron koparma tekniği, ZnO: Ge, Nanokompozit ince filmler.

In this study, nowadays an alternative method for commercially produced solar cells, Zinc- Oxide: Germanium (ZnO: Ge) nanocomposite thin films which have the potential of using as the intermediate band solar cells were prepared. RF magnetron sputtering technique was used for the synthesis of these structures. By adding different sizes of Ge nanoparticles into the ZnO wide band gap semiconductor, the optical bandwidth of ZnO is changed and the response of ZnO: Ge nanocomposite structures to light are discussed. In order to obtain ZnO: Ge nanocomposite structure, different thicknesses of ZnO and Ge layers were coated on the quartz and silicon substrates and by post annealing, Ge layers were clustered to take nanoparticle forms. Ge nanoparticles were obtained by applying conventional furnace annealing (CFA) and rapid thermal annealing processes to the nanocomposite thin films, optical and electrical properties were investigated.X- Ray diffraction (XRD) and X- Ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to analyze structural properties of the films and for optical characterizations Spectrophotometry was used to measure the optical band gap of ZnO: Ge films. Optically from Tauc?s plot, which were obtained from the optical absorbance measurements, by decreasing the crystal size of Ge nanoparticles, the band gap of the thin films was decreased from 3.05 eV to 2.88 eV. Electrical properties of nanocomoposite samples, resistivity and carrier concentrations were analyzed by using the Van Der Pauw technique for resistivity measurements and for Hall measurements the same geometry was used to analyze. Also from dark and light I- V measurement, the photocurrent of pure ZnO and Ge doped ZnO samples were investigated and the photocurrent difference of ZnO: Ge were about 103 times bigger than pure ZnO. This result, means that due to the rate of Ge nanoparticles which was doped to the semiconductor, incident light were creates more electron hole pairs than the pure ZnO.Keywords: Photovoltaic, RF magnetron sputtering technique, ZnO: Ge, Nanocomposite thin films.