Development of hybrid photonic and plasmonic light management interfaces for thin film semiconductor devices
İnce film yarı iletken aygıtlar için hibrid fotonik ve plazmonik ışık yönetimi arayüzleri geliştirilmesi
- Tez No: 416376
- Danışmanlar: PROF. DR. RAŞİT TURAN, PROF. DR. MACİT AHMET ÖZENBAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Enerji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Energy, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 199
Özet
düzeylere ulaşmış, fotovoltaik uygulamaların çok yönlü ve etkileyici malzemelerinden bir tanesidir. Kristal silisyum ile karşılaştırıldığında görece düşük olan verim değerleri nedeniyle a-Si teknolojisinin hedefinde düşük kurulum maliyetli enerji santralleri veya bina entegrasyonu gibi uygulamalar yer almaktadır. İnce film fotovoltaik teknolojisi ışık soğurumu oldukça zayıf olan çok ince filmler temeline dayalı olduğu için, ışığın uygun şekilde kontrol edilip kullanılabilmesi geçmişte olduğu gibi bugün de a-Si:H ince film güneş gözesi teknolojisinin çok önemli ve kaçınılmaz bir parçasıdır. Günümüzde en yüksek verim değerine sahip olan a-Si:H güneş gözleri, hem yüzeyinde rastgele dağılmış piramitler içeren optik geçirimli alttaşların hem de yüksek kırılma indisli arka kontakların olumlu etkilerini değerlendirmişlerdir. a-Si'da ışığın daha iyi kullanılabilmesi için yeni alternatif yöntemlerin geliştirilmesi büyük bir zorluktur. Bu tez çalışmasında a-Si:H ince film güneş gözelerinde ışık soğurumunun iyileştirilmesi için plazmonik metal nano-parçacıkların kullanılması önerilmiştir. Tez çalışmasının ilk kısmında alüminyum katkılı çinko oksit (Al:ZnO) içine yerleştirilmiş gümüş nanoparçacıkların (AgNPs) oluşturduğu plazmonik olarak etkin olan bir arayüz üretilmiştir. Bu yapı potansiyel olarak ince film güneş gözelerinin ön yüzeyinde ve arka yüzeyinde geri yansıtıcı olarak kullanım olanağına sahiptir. Daha sonra, farklı dielektrik sabitlerine sahip farklı ince film ayırıcı tabakalar içine yerleştirilmiş çok sayıda tek ve ikili etkin arayüz başarıyla oluşturulmuştur. Bu arayüzler hem ön hem de arka yüzeyde kullanılan a-Si:H ince filmlerle tümleştirilmiş ve ışığın yüzeydeki davranışını nasıl etkilediği gözlemlenmiştir. Tek plazmonik arayüzler plazmonik çınlama frekanslarının kırmızıya doğru kaymasına sebep olur ve bu kayma miktarı, parçacık büyüklüğü ve dielektrik ayırıcı tabakanın kalınlığıyla orantılı olarak artar. İkili plazmonik arayüzler ise iki farklı parçacık boyutuna sahip olup, geçirgenlik tayfında ikili minimum noktası taşıyan çınlamalar sergilerler. Tez çalışmalarım kapsamında a-Si:H'dan elde edilen fotoakımda iyileşme gözlenmiş ve bu iyileşmenin nanoparçacık boyutuna, a-Si:H tabakanın ön ve arkasına yerleştirilen ayırıcı tabakanın kalınlığına bağlı olduğu anlaşılmıştır. Fotoakımlardaki iyileşmeleri kendi aralarında kıyaslayarak, a-Si:H'un arka tarafına yerleştirilen plazmonik gümüş nanoparçacıkların gerçek pozisyonlarına ve ideal ayırıcı tabaka olarak en fazla 30 nm kalınlığında film olması gerektiğine karar verilmiştir. Çalışmalar süresince, yeni bir ileri seviye ışık hapsetme yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntemde, Al:ZnO rastgele piramitler oluşturulmuş yüzey yapısı ve Ag nanoparçacıkların ışığı saçma özellikleri tek bir arayüzde bir araya getirilmiştir. Sonuçlar göstermiştir ki Al:ZnO tabakasının kimyasal aşındırma ile şekillendirilip Ag nanoparçacıklar ile birleştirilmesi, a-Si:H ince filmin bant kenarında yüksek optik sönümlenime neden olmaktadır. Ayrıca, ölçülen fotoakım sadece Ag nanoparçacık çınlama dalga boyunda değil bütün dalga boyu aralığında belirgin bir artış göstermiştir. Plazmonik nanoyapıların a-Si:H ince filmlerle tümleştirilmesi çalışmasına paralel olarak, SiO2 ayırıcı tabaka kalınlığının kristal silisyum güneş gözelerine tümleştirilen Ag nanoparçacıkların optik tepkisi üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Ayırıcı tabaka kalınlığının dikkatle çalışılmasından sonra, plazmonik ve fotonik rejimlerin birbirinden ayrıldığı sınırı tanımlayan kritik kalınlık tanımlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) is a versatile and an attractive material of photovoltaics whose manufacturing has reached an immense and advanced level of maturity. Owing to its moderate conversion efficiency compared to its crystalline counterparts, it should target either power plants with miniature installation cost or applications with added value like building-integration. Since this photovoltaic technology is based on very thin films of a weakly light-absorbing material, light-management is, and always has been, a vital and indispensable aspect of the a-Si:H thin film solar cells technology. The highest conversion efficiencies of a-Si:H solar cells produced today basically involve light trapping approaches which employ randomly textured transparent substrate and a highly reflective rear contact. Obtaining new alternative approaches for light management in a-Si:H thin film solar cells is a great challenge. In this thesis, I propose to use plasmonic metal nanoparticles to enhance the light absorption in a-Si:H thin film solar cells. In the first part of this thesis, I demonstrate fabrication of plasmonically active interface consisting of silver nanoparticles (AgNPs) embedded in aluminum doped zinc oxide (Al:ZnO) that has the potential to be used at the front surface and at the back reflector of a thin film solar cell to enhance light-trapping and increase conversion efficiency. Then several single and double plasmonically active interfaces embedded in dielectric spacer thin films of different dielectric constant were successfully constructed and integrated to the front and at the rear device-quality a-Si:H thin films to investigate their light management potentials in terms of enhanced spectral dependence of photocurrent driven by a constant bias in the a-Si:H thin films use as indicators for an effective plasmonic effect. Single plasmonic interfaces exhibit plasmonic resonances whose frequency is redshifted with increasing particle size and with the thickness of a dielectric spacer layer. Double plasmonic interfaces consisting of two different particle sizes exhibit resonances consisting of double minima in the transmittance spectra. I investigate the enhancement of photocurrent in a-Si:H as a function of nanoparticle size and spacer layer thickness placed to the front and at the rear of the a-Si:H absorber. By comparing the photocurrent enhancement due to plasmonic interfaces integrated to the front and at the rear of a-Si:H thin films, we were able to judge that the true position of plasmonic AgNPs is at the rear of a-Si:H and with an optimum spacer layer of at most 30 nm thick film. A new advanced light trapping concept is constructed for the first time. In this concept, I merge the scattering potentials of Al:ZnO surface texturing and AgNP plasmonics in a single light trapping interface. The results show that surface texturing by wet etching of Al:ZnO combined with AgNPs produces the highest optical extinction of a-Si:H thin film at the band edge and the measured photocurrent shows a clear increase not only at AgNPs resonance wavelength but over the entire wavelength range. In parallel to the study related to the integration of plasmonic structures in a-SiH: thin films; the effect of SiO2 spacer layer thickness on the optical response of AgNPs of potential integration in crystalline silicon solar cells has been investigated. By carefully studying the thickness of the spacer layer, I have identified the critical thickness that defines the border between plasmonic and photonic regimes.
Benzer Tezler
- Güneş hücresi ve lazer uygulamaları için büyütülen SB tabanlı III-V grubu yarıiletken yapıların incelenmesi
Investigation of grown SB-based III-V group semiconductor structures for solar cell and laser applications
SABAHATTİN ERİNÇ ERENOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiEskişehir Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU ARPAPAY
- Sentezlenen tek kristal Cu(II) kompleksinin yapı-özellik ilişkilerinin incelenmesi
Investigation of structure-property relations of synthesized single crystal Cu(II) complex
HATİCE ESRA CÖMERT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DAVUT AVCI
- Poss esaslı nanokompozitlerin foto-'click' tepkimesiyle hazırlanması ve endüstriyel uygulamaları
Preparation of poss-based nanocomposites by photoinduced CuAAC click reaction and their industrial application
İREM ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova ÜniversitesiPolimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ATİLLA TAŞDELEN
- Analysis of wave propagation characteristics and design methods in two dimensional photonic bandgap structures
İki boyutlu fotonik bant durduran yapılarda dalga analizi ve tasarım yöntemleri
ONUR ERKAN
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN ŞİMŞEK
- Patlamalara dayanıklı hibrit kompozitlerin geliştirilmesi
Development of explosion resistant hybrid composites
NUMAN KARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Savunma ve Savunma TeknolojileriFırat ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET EROĞLU