Copper zinc tin sulfite CZT(S,Se) for solar cell applications
Bakır çinko kalay sülfat CZT(S,Se) için güneş pili uygulamaları
- Tez No: 496369
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ELİF ÜLKÜ ARICI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya, Energy, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
Tükettiğimiz kaynaklarının sonsuz olmadığının ve çevreye verilen hasarın bu hızla devam ettiği takdirde dünyanın geçireceği değişimlerin büyük felaketlere yol açacağının farkına varılması, insanlığı sürdürülebilir yaşam şekline sevk etti. Geri dönüşüm politikaları, tüketim çılgınlığının önüne geçme isteği gibi alternatif enerji kaynakları da bu önlem arayışlarının içinde. Sürdürülebilir enerji kaynakları uzun süredir bilim dünyasının masasında olsa da konvansiyonel metotların yerini almakta biraz zorlanıyorlar. Bunun içindeki en büyük sebeplerden biri de, bu yeni gelişen metotların fizibilitesinin cezbedici düzeylerde parlamıyor oluşu. Zamanla azalan performanslar ya da pahalı teknolojiler sürdürülebilir enerji politikasının en büyük ayak bağları halinde. Yenilenebilir enerjinin popüler adaylarından biri olan güneş enerjisi de bu pahalılıktan etkilenenler arasında. Günümüzün artan teknolojik çeşitliliğiyle aynı malzemeleri paylaşan (LED ekranlar, dokunmatik telefonlar, çipler, vb) güneş enerjisinin hammadde pahalılığında etkilenmesi araştırmacıları alternatif malzemeler bulmaya itmiştir. Güneş enerjisi sistemlerinin pazar payını elinde tutan silikon güneş pilleri, yalnızca pahalanan malzemeler alanında değil kırılgan yapısıyla da yalnızca büyük ölçeklerde kullanışlı görülmektedir. Güneş pillerini her ölçüye ve şekle sığdırabilmek amacına hizmet eden ince film teknolojileri ise bu yarışta silikon güneş pillerinin verimliliğini yakalama çabası içerisindedir. Bu yarışta pek çok malzeme ön plana çıktı ama inorganik piller arasında dayanım gücü ve hali hazırda Pazar piyasasındaki CIGS pillerine benzerliğiyle popülerleşen ve umut vadeden CZTS bu çalışmanın konusu olarak ele alınmıştır. Son yıllarda alternatif güneş pilli malzemeleri için yapılan yoğun çalışmalarda CZTS de yerini almış durumda. İnce film güneş pilleri için kullanılan bakır (Cu), çinko (Zn), kalay (Sn), sülfür (S) içeren dörtlü bileşik yapıdaki CZTS; yeryüzünde bolca bulunan elementler içermesi, zehirli madde içermemesi ve bolluğu sebebiyle düşük maliyetlere sahip olması gibi özellikleriyle öne çıkan bir araştırma konusu oluşturuyor. Güneş pillerinin soğurucu tabakasında kullanılan CZTS bileşiği, yapı olarak CIGS ve CIS malzemelerine benzemektedir. Ancak CIGS, CIS gibi bileşikler vakumlu üretim sistemlerine dayalıyken, CZTS'nin şimdiye kadarki en yüksek verimli formasyonu çözelti bazlı bir yöntemle üretilmiştir. Bu da zaten ucuz olan malzemenin üretim maliyetlerini de düşürerek CZTS'nin önemini arttırıyor. Çözelti kullanarak ürettiğimiz CZTS bileşiği için, bakır, çinko, kalay ve sülfür başlangıç malzemeleri kullanıldı. Bu elementler için seçilen malzemeler oleylamine içerisinde çözdürüldü. Oleylamin bu çalışmada sadece bir çözücü olarak değil aynı zamanda reaksiyon gerçekleşmesini sağlayan yüzey aktif madde olarak da kullanıldı. Üretilen CZTS yıkamayla oleylaminden arındırıldıktan sonra tolüen içerisinde daha sonra kullanılmak üzere muhafaza edildi. Güneş pili cihaz yapısında tampon malzeme olarak kullanılacak olan CdS, kimyasal banyo metoduyla örnekler üzerine kaplanmıştır. Kadmiyum ve sülfür için kullanılan kadmiyum asetat ve thiourea başlangıç malzemeleri amonyakla pH düzeyi ayarlanmış saf su içerisinde çözülerek sıcaklık artışıyla aktive edildi. Çözelti içerisine daldırılan numuneler başarıyla CdS filmi oluşturmuştur. Cihazın n tipi malzemesini oluşturacak olan çinko oksit (ZnO) tabakası da laboratuvar koşullarında üretilmiştir. Çinko asetat metanol içerisinde çözülerek kullanılmıştır, oksitleyici olarak potasyum hidroksit peletleri yine metanol içerisinde çözüldü. Reaksiyonun ardından yıkama aşamalarından geçirilerek ZnO tozu elde edildi. ZnO parçacıkları daha sonra kullanılmak üzere metanol içerisinde saklandı. Cihaz yapısı için substrat yüzey olarak molibden kaplanmış cam tercih edildi. Yüzeydeki molibden elektrot görevi göreceğinden bir kısmı bantla kapatılarak çıplak kalması sağlandı. CZTS kaplama metodu olarak sprey kaplama tercih edildi. Sprey kaplama metoduyla oluşturulan filmler 330 oC'de 1 saat tavlamaya bırakıldı. Tavlama bittikten sonra yüzey düzleştirme amacıyla numuneler bir kere de spin kaplama yöntemiyle CZTS kaplandı ve tekrar 330 oC'de 1 saat tavlandı. Kimyasal banyo metoduyla, kimyasal banyoya daldırılan CZTS numuneleri CdS ile kaplandı. Kaplaması tamamlanan numuneler deiyonize su ile yıkanarak temizlendi ve azot tabancasıyla kurutuldu. CdS kaplanmış olan numuneler, sprey kaplama yöntemi kullanılarak ZnO tabakası ile kaplandı. Kuruması tamamlanan Mo/CZTS/CdS/ZnO yapıdaki numuneler, maskeler yardımıyla termal evaporatöre bağlandı ve karşı elektrot olarak kullanılacak olan alüminyum tabaka ile kaplandı. Maskeler elektrot şekline göre tasarlandığı için numunelerin tamamı kaplanmaktan korundu. Aşama aşama hazırlanan film numuneleri her aşamada test edilerek ilerlendi. Karakterizasyon testleri yapılarak (XRD, EDX, Transmittance) doğruluğu tespit edilen ve çalışabilecek numuneler yönünde ilerlendi. Mo/CZTS/CdS formasyonu n tipi malzemeye geçiş yapılmadan önce termal kaplama ile elektrotlandı ve akım-potansiyel karakteristikleri test edildi. Diyodik çalışma yapısı tespit edilen numunelerde ilerleme kararı alınarak n tipi malzeme denemelerine geçildi. Son olarak hazırlanan numunelerin, ışık altında ve karanlıkta akım-potansiyel karakteristikleri ölçüldü. Numunelerin güneş piline uygun ve çalışır yapıları tespit edildi. Verim yükseltmek için yapılabilecek çalışmalar hakkında fikir yürütme ve öneriler yapıldı. Nihai olarak bu tez çalışması, güneş pilleri için popüler malzemeler arasında bulunan CZTS malzemesini üretmiş, karakterize etmiş ve çalışır bir yapılandırmada test etmiştir. Tespit edilen önemli noktalar belirtilerek dikkat çekildi. CZTS'yi fotovoltaik formuna tamamlayan malzemeler de üretilerek karakterize edildi ve CZTS ile uyumlu halde kullanımına dair önemli noktalara dikkat çekildi. Üretilen pil numuneleri güneş simülatörü ile test edilerek çalışılabilirliği ispat edildi.
Özet (Çeviri)
Over the last years, the need for renewable energy has grown day by day. Solar energy is one of the most important assets of renewable energy. The earth has proved itself as a non-infinite energy source. Climate change and global warming are warning the humanity for sustainable solutions. Renewable energy is one of those solutions that needs an urgent attention. Solar energy is one of the early corners of this subject. But the technology has to change as soon as possible. Silicon solar cells have been dominating the solar energy market since the day one. Their reliable performance makes silicon solar cells a viable asset but the availability of the raw materials is a matter of concern. They are physically fragile and heavy form makes it ungainly technology. Thin film solar cell technologies are the biggest rival on the subject to silicon, they have important advantages like being lightweight, flexible, cheap and easily manufactured. However, they cannot achieve the same performance as silicon solar cells yet. CZTS is a quaternary absorber layer material for solar cell technologies. It has several advantages like consisting of earth abundant, cheap, and non-toxic materials. Also one of the most important competitive edges for CZTS is that its structure is quite similar with CIGS and CIS. They have high-efficiency numbers to compete with silicon cells. However, they have two disadvantages. One of them is having toxic materials inside and the other one is that they are getting more expensive day by day (their cost is increasing over the last years). The screening technologies are using the same raw materials (elements) with them so the market price for those elements are getting more expensive. That makes element prices higher and higher every second. So, CZTS already has a place on market for itself. The advantages mentioned before makes CZTS attractive for scientists. In this study, CZTS ink was produced by hot injection method. Metal precursors were used in the reaction. Precursors can be listed as; Copper (II) acetylacetonate, Zinc acetylacetonate hydrate and tin (IV) bis(acetylacetonate) dibromide as cation precursors and elemental sulfur as a sulfur source were used. Oleylamine was used to dissolve the precursors and also as a surfactant for the reaction. The reaction occurred in a closed chamber under an inert atmosphere. Reactants were washed from oleylamine after the reaction. The product has been kept dispersed in toluene. Cadmium Sulfide layer was coated on samples by chemical bath deposition technique. Cadmium acetate and thiourea were used as source materials. Zinc oxide powder was produced by using zinc acetate and potassium hydroxide. The final product was kept in methanol solution to be used later as an n-type layer. Spray coating technique was utilized to coat samples with CZTS and ZnO. The molybdenum coated glass was used as the substrate. CZTS layer was coated first, followed by annealing of the film at 330 oC for an hour. After the annealing step, spin coating was utilized to coat CZTS one more time. This step is applied to reduce the roughness of the film. Annealing was then applied one more time on samples after the spin coating. CdS layer was coated onto the CZTS layer via chemical bath deposition as mentioned above. Finally, ZnO layer is deposited via spray coating. Molybdenum is used as an electrode and for the counter electrode aluminum was thermally evaporated onto the samples. Masks were used to protect the samples to be coated fully. Mo / CZTS / CdS / ZnO / Al configuration was obtained. Samples were characterized at each step to see if the films were what they are expected. Diodic plots were identified by current-voltage characterization. The final formation was showing the effects of the solar cell, producing current. To sum up, quaternary CZTS compound was produced and made into a film form successfully. Coating a CdS layer on top of the CZTS layer was achieved. ZnO particles were produced and used as an n-type layer. Solar cell layers were prepared in that order, and then it's tested against light until a working solar cell was achieved. In the study, CZTS solar cell production conditions were optimized.
Benzer Tezler
- Synthesis of copper zinc tin sulfide CZT(S,Se) with solution based method and formation and characterization of CZT(S,Se) thin films for photovoltaic application
Solüsyon yöntemiyle CZTS sentezi ve fotovoltaik devreler için CZTS ince film oluşturma ve film özelliklerini inceleme
RIDVAN ERĞUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ELİF ÜLKÜ ARICI
- Spin coated czts solar cells and analytical modelling
Başlık çevirisi yok
TEOMAN ÖZDAL
Doktora
İngilizce
2020
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAMİDE KAVAK
- CZTS tabanlı ince filmlerin elektrokimyasal büyütme tekniği ile büyütülmesi ve karakterizasyonu
Growth characterization of CZTS based thin films grown by elektrochemical growth technique
MERVE ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiGiresun ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVDET COŞKUN
- Cobalt removal from zinc sulfate solutions prior to zinc electrowinning by cementation
Çinko elektrokazanımı öncesi kobaltın çöktürülerek çinkosülfat çözeltilerinden uzaklaştırılması
GÜVENÇ ERGİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2000
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAVUZ TOPKAYA