Geri Dön

Polycrystalline silicon thin film processing on glass substrates for photovoltaic applications

Fotovoltaik uygulamalar için cam alttaş üzerine silisyum ince filmlerin üretimi

PDF İndir

  1. Tez No: 442294
  2. Yazar: MEHMET KARAMAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. RAŞİT TURAN, DOÇ. DR. ÖZGE TÜZÜN ÖZMEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Enerji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Energy, Physics and Physics Engineering, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Nanoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 180

Özet

Bu tez çalışmasında, amorf silisyumun cam üzerinde kristalizasyonu ve fotovoltaik uygulamaları araştırılmıştır. Amorf silisyum (a-Si) kristalizasyonu iki bölümde incelenmiştir; Metal İndüklemeli Kristalizasyon (MIC) ve Lazer İndüklemeli Kristalizson (LIC). MIC yöntemi ilk olarak alüminyum katkılı çinko oksit (AZO) kaplı cam üzerine üretilen altın ince filmlerin tavlanarak altın nanoparçacık (AuNP) oluşturulmasıyla uygulanmıştır.Sonrasında metal naoparçacıkların üzerine elektron demeti buharlaştırma yöntemi ile a-Si buharlaştırılmıştır. Silisyum ince filmler kristalizasyon için 500 oC ve 600 oC arasında tavlanmıştır. Düşük sıcaklıklarda AuNP ile yüksek oranda kristalizasyon sağlanması gözlemlenmiştir. Raman ve XRD sonuçları kristalizasyonun 500 oC gibi düşük sıcaklıkta başladığını ve 600 oC de tavlamanın kısa sürede yeterli kristalizasyon sağladığını göstermiştir. Sonra ise, MIC işlemi a-Si'un uAlüminyum İndüklemeli Kristalizasyon (AIC) ile çalışılmıştır. İlk olarak, AIC çalışması PECVD film üretiminde değişken NH3/SiH4 oranları kullanılarak farklı türde üretilen SiNx ara tabaka optimizasyonu ile başlamıştır. Üstelik bu şekilde farklı ara tabakaların üretilen poly-Si filmlere olan etkisi araştırılmıştır. AIC işlemi SiNx ve AZO tabakalar üzerine Al buharlaştırılmasıyla başlatılmıştır. Sonra elektron demeti ile a-Si buharlaştırılmıştır. Kristalizasyon, başka deyişle Al ve Si tabakalarının yer değiştirmesi, 500 oC de tavlama ile sağlanmışır. Raman, EBSD ve XRD sonuçlarına dayanarak sonraki AIC deneyleri için en iyi ara tabaka Si kristalizasyonu ve damar boyutlarına göre seçilmiştir. Bundan sonraki AIC deneylerine temel karakterizasyonlar ile devam edilmiştir. Farklı sıcaklık ve sürelerdeki AIC krsitalizasyonu optik mikroskop (OM) ile gözlemlenmiş ve kristalizasyonun aktivasyon enerjisi hesaplanmıştır. Poly-Si tabakanın Al içeriği İkincil İyon Kütlesi Spectroskopisi (SIMS) ile tespit edilmiştir. AlOx zar tabakanın kristalizasyon kinetiğine olan etkisi zar tabakanın üretim koşullarını değiştirerek optik mikroskop ile gözlenmiştir. Sonrasında ise Katı Faz Epitaksi (SPE) deneyleri yapılmıştır. Raman ve SEM analizleri SPE tabakaların bir şekilde elde edildiğini göstermiştir. AIC poly-Si tabakanın kalitesini arttırmak için üretime bir takım modifikasyonlar eklenmiştir. Vakum içerinde Al tavlamanın, AIC kinetiğine ve poly-Si tabaka özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Tabakaların yer değiştirmesi optik mikroskop ile izlenmiş ve Al tavlamanın kristalizasyon hızını düşürdüğü gözlenmiştir. XPS ölçümleri, Al tabakanın tavlanmasının daha sabit ve yoğun yapılı AlOx zar oluşturduğunu göstermiştir. Bir diğer AIC poly-Si tabaka kalitesinin iyileştirilmesi ise elektron demeti buharlaştırma ve PECVD gibi farklı a-Si üretim metotlarının karşılaştırılmasıyla gözlemlenmiştir. İki tekniğin etkisi, AIC kinetiğinin yanı sıra üretilen poly-Si film özelliklerine göre karşılaştırılmıştır. Raman ve FTIR spektroskopisi sonuçları PECVD ile üretilen a-Si filmlerde orta mesafe düzeninin üretim süresince yüksek hidrojen seyreltmesiyle daha çok arttığını göstermiştir. EBSD analizleri, a-Si orta mesafe düzeninin arttırılmasının AIC hızını bastırdığı, dolayısıyla daha büyük poly-Si damar boyutları oluşturduğunu göstermiştir. Bu çalışmanın ikinci bölümünde lazer destekli kristalizasyon uygulanmıştır. Borosilikat cam üzerine PECVD ile üç katmanlı SiOxNy/SiOx/SiNx ara tabakası üretilmiştir.10 µm katkısız ve 10 nm p ve n-tipi a-Si:H (katkılama tabakası) PECVD ile üretilmiştir. Kristalizasyon 808 nm sabit dalga çizgi lazer ile yapılmıştır. Lazer kristalizasyonu boyunca katkısız ve katkılama tabakalarının birbirine karışmasıyla az katkılı emici tabaka elde edilmiştir. Kristalizasyon sonrasında spin kaplama yapılmış ve lazer ile katkılama yapılarak homo eklem mesa güneş hücreleri oluşturulmuştur. 1 ve 5 mm/s olmak üzere iki farklı lazer katkılama hızları uygulanmıştır. Karşılaştırma yapılabilmesi açısından bazı hücrelere hidrojen pasivasyonu uygulanmıştır. Suns Voc analizleri yapılmış ve 579 mV Voc ölçülmüştür. EQE ve güneş simülatörü ölçümleri hem alttaş hem de üsttaş koşullarında yapılmıştır. EQE ölçümleri hidrojen pasivasyonunun yüzey rekombinasyonunu arttırdığı için yayıcı difüzyonu mesafesini (düşük dalga boyları) azalttığını göstermiştir buna karşılık emici difüzyonu mesafesi artmıştır.

Özet (Çeviri)

In this PhD study, crystallization of amorphous silicon on glass and its photovoltaic applications have been investigated. The crystallization of amorphous silicon (a-Si) was studied in two parts; Metal Induced Crystallization (MIC) and Laser Induced Crystallization (LIC). MIC method was first implemented by gold nanoparticle (AuNP) fabricated by dewetting technique by which gold thin films deposited on aluminium doped zinc oxide (AZO) coated glass were annealed for nanoparticle formation. A-Si was then deposited by e-beam evaporation onto metal nanoparticles. Silicon films were annealed for crystallization at different temperatures between 500 oC and 600 oC. It was observed that inclusion of AuNPs provide the crystallization at lower temperatures with higher rates. Raman and XRD results showed that the crystallization starts at temperatures as low as 500 oC and an annealing at 600 oC for a short process time provides sufficiently good crystallinity. Then, MIC process was studied by Aluminium Induced Crystallization (AIC) of a-Si. Firstly, AIC study was started with the silicon nitride (SiNx) buffer layer optimization by depositing different types of SiNx films with varied NH3/SiH4 content during the PECVD film deposition. Furthermore, the effect of buffer layer content on final poly-Si properties was investigated by this way. AIC process was started with Al film evaporation onto SiNx and AZO layers. Then a-Si deposition was carried out by e-beam evaporation. The crystallization, in other words the layer exchange of Al and Si, was provided by furnace annealing at 500 oC. Based on Raman, EBSD, XRD results, the best buffer layer was chosen in terms of Si crystallinity and grain size for the further AIC experiments. The next AIC experiments were followed by basic characterizations. The crystallization of AIC process at different temperatures and durations was monitored by optical microscopy (OM) and the activation energy of the process was calculated. The Al content of the poly-Si layer was detected by Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS). The effect of AlOx membrane on the kinetics of crystallization was monitored through optical microscopy by changing the formation conditions of AlOx. Then solid phase epitaxy (SPE) experiments were carried out. Raman and SEM analysis showed well-established SPE layer. To investigate the improvement of the final AIC poly-Si layer quality, some modifications on the process was introduced. The effect of Al annealing in a vacuum environment on the AIC kinetics and final poly-Si layer properties was investigated. The layer exchange process was monitored by optical microscopy and it was observed that Al annealing reduces the crystallization rate. XPS measurements showed that annealing of Al creates more stable and denser AlOx layer compared to Al layer with no annealing. EBSD results indicate that Al annealing notably increases the grain size of Al layer and also improves the grain structure of final poly-Si layer surface. Another improvement on the AIC poly-Si layer quality is seen by comparing the different a-Si deposition methods of E-beam evaporation and PECVD. Two techniques are compared for their effect on the overall AIC kinetics as well as the properties of the final poly-crystalline (poly-Si) silicon film. Raman and FTIR spectroscopy results indicate that the PECVD grown a-Si films has higher intermediate-range order, which is enhanced for increased hydrogen dilution during deposition. EBSD analysis showed that increasing intermediate-range order of the a-Si suppresses the rate of AIC, leading larger poly-Si grain size. In the second part of this work, laser assisted crystallization was carried out. Three layered stack of SiOxNy/SiOx/SiNx was deposited by PECVD onto borosilicate glass as the buffer layer. 10 µm of intrinsic and 10 nm of p and n-type a-Si:H (doping layer) was deposited by PECVD. The crystallization was carried out by 808 nm continuous wave line laser. Moderately doped absorber layer was obtained during laser crystallization by intermixing of doping layer and intrinsic layer. After crystallization the homojunction solar cells were obtained by spin-on dopant coating with following laser doping and the mesa cells were constructed. Two different laser doping velocities of 1 and 5 mm/s were applied. For comparison some of the cells were hydrogen passivated. SunsVoc measurement was accomplished and up to 579 mV of Voc was measured. EQE and solar simulator analysis were carried out both for substrate and superstrate conditions. EQE measurements show that H2 passivation decreases the emitter diffusion length (short wavelenths) due to the increase in surface recombination whereas the absorber diffusion length increases.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    393044

    Production of dye sensitized solar cell and optimization of production parameters

    Boya uyarımlı güneş pillerinin üretimi ve üretim parametrelerinin optimizasyonu

    RAMAZAN ŞİMŞEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ KILIÇ

  2. Tez No

    430919

    Nanosaniye atımlı 1064 nm fiber lazer ile polikristal silisyum ince filmlerin üretilmesi ve özelliklerinin incelenmesi

    Production of polycrystalline silicon thin films by nanosecond pulsed 1064 nm fiber laser and investigating their properties

    HAYDAR SARPER SALMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    EnerjiHacettepe Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AKIN BACIOĞLU

  3. Tez No

    520861

    Nanosecond pulsed infrared laser inducedcrystallization of amorphous silicon films forpotential photovoltaic applications

    Potansiyel fotovoltaik uygulamalar için amorf silisyumfilmlerin nanosaniye kızılötesi atımlı lazer yardımıylakristalizasyonu

    KAMİL ÇINAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALPAN BEK

  4. Tez No

    527994

    Metal etkileşimli kristalleşme yöntemi ile polikristal silisyum ince film üretimi ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi

    Production of polycrystalline silicon thin films by metal induced crystallization method and investigating their electrical properties

    GURUR SALKIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    EnerjiHacettepe Üniversitesi

    Temiz Tükenmez Enerjiler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AKIN BACIOĞLU

  5. Tez No

    889576

    Polikristal Si ince filmlerin hazırlanması ve özelliklerinin incelenmesi

    Preparation of polycrystalline silicon thin films and investigation of their properties

    HATİCE OKUSAL ERTAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Fizik ve Fizik MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ARI

Geri Dön