Kristal silisyum güneş hücreleri uygulamaları için HfOx tabanlı yansıma önleyici ve pasivasyon etkili katmanların geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada dönel kaplama yöntemi kullanılarak hafniyum oksit (HfO2) temelliince filmler oluşturularak yansıma önleyici ve pasivasyon etkileri araştırıldı. İlk olarak HfO2ince filmi c-Si yüzeyine kaplandıktan sonra tavlama sıcaklığının etkisini görmek içinnumuneler 500ºC ile 1000ºC aralığında tavlandı. XRD sonuçlarına göre 500ºC'ninüzerindeki tavlama sıcaklıklarında filmlerin monoklinik fazda kristalleştiği görüldü.Yansıma ölçümlerinden, 700°C'de tavlamadan sonra 71.36 nm kalınlığındaki HfO2 film ileortalama %10.87 yansıtma elde edildi. Ayrıca elipsometre ölçümleri sonucunda, filmlerin600 nm'de 1.934'lik kırılma indisine sahip olduğu ve tavlama sıcaklığının 800°C'yeyükselmesi durumunda kırılma indisinin 2.05 yükseldiği görüldü. Daha sonra çift katmanlıve HfO2-SiO2 karışımı ince filmler elde etmek için SiO2 ince film optimizasyonugerçekleştirildi. HfO2-SiO2(1:1) filmleri büyütülerek yansıma önleyici ve pasivasyon etkileriaraştırıldı. Hazırlanan HfO2-SiO2(1:1) ince filmlerine ait minimum ve ortalama yansımadeğerleri sırasıyla %4.30 ve %14.68 olarak elde edildi. HfO2-SiO2(1:1) filmlerine ait efektiftaşıyıcı yaşam süreleri, 600°C'de tavlandıktan sonra 2 μs'lik kaplanmamış silisyumuntaşıyıcı yaşam süresine kıyasla 32 μs'ye yükseldiği görüldü. Daha yüksek tavlamasıcaklıklarda taşıyıcı yaşam süresinin önemli ölçüde bozulduğu (700°C ve 800°C içinsırasıyla 8.9 ve 0.6 μs'ye kadar) görüldü. Son olarak deneysel ortalama yansıma değerlerininAfors-Het yazılımıyla c-Si güneş hücrelerine yansıma önleyici (YÖ) katman olarakuygulanması sonucunda yansıma önleyici kaplamasız güneş hücresinin güç dönüşüm verimi(PCE) %11.68 olarak belirlenirken, yüksek molariteli (0.4M) HfO2 ile kaplanmış güneşhücresinin verimi %17.58 olarak elde edildi. Yüksek molariteli HfO2 ince filmininuygulandığı güneş hücresi için kısa devre akım yoğunluğunun (Jsc) 20.87'den 31.27mA/cm2'ye ve açık devre voltajının (Voc) 685.10'dan 696.10 mV'ye yükseltilmesi sonucuyaklaşık olarak %6 verim artışı sağlandı.

In this study, Hafnium oxide (HfO2) based thin films were produced by using spincoatingmethod and then their antireflection behavior and passivation effects wereinvestigated. First, samples were annealed at 500 ºC-1000 ºC temperature range in order toobserve the effect of annealing temperature on coating of hafnium oxide on c-Si. Accordingto XRD results, it was observed that the samples annealed at temperature above 500 ºC werecrystallized as monoclinic phase. After annealing at 700 ºC, 10.87% reflection acquired for71.3 nm thick HfO2 thin film as a result of reflection measurements. Furthermore, fromellipsometer measurements it was clearly observed that samples have 1.934 refractive indexat 600 nm wavelength and refractive index increased to 2.05 by increasing annealingtemperature to 800 ºC. After that, SiO2-thin film optimization was carried out to producedouble layered and HfO2-SiO2 mixture thin films. HfO2-SiO2(1:1) thin films were producedand their antireflective and passivation effects were investigated. Minimum and averagereflection values of HfO2-SiO2(1:1) thin films were obtained as 4.30% and 14.68%,respectively. Effective carrier lifetime of HfO2-SiO2(1:1) thin films after annealing at 600ºCincreased to 32 μs compared to un-coated silicon effective carrier lifetime which is 2 μs. Forhigher annealing temperatures, it has been seen that the effective carrier lifetime decreasesdramatically (for annealing temperatures of 700ºC and 800ºC, effective carrier lifetimedecreases to 8.9 μs and 0.6 μs, respectively). Finally, after application of averageexperimental reflection values as anti-reflection coating (ARC) by using Afors-Het softwareto c-Si gelar cells, power conversion efficiencies (PCE) of solar cell without anti-reflectioncoating and high molarity (0.4M) HfO2 coated solar cell were determined as 11.68% and17.58%, respectively. As a result of increments in the short circuit current density (Jsc) from20.87 mA/cm2 to 31.27 mA/cm2 and in open circiut voltage (Voc) from 685.10 mV to 696.10mV, 6% efficiency increase obtained for high molarity HfO2 thin film coated solar cell.