Geri Dön

Cu2Zn(Sn:Ge)S4 ve Cu2Zn(Sn:Si)S4 soğurucu ince filmlerin üretilmesi ve karakterizasyonu

Cu2Zn(Sn:Ge)S and Cu2Zn(Sn:Si)S4 absorbent thin films production and characterization

PDF İndir

  1. Tez No: 812866
  2. Yazar: CANAN AYTUĞ AVA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SEZAİ ASUBAY
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Dicle Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 139

Özet

Fotovoltaikler güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlardır. Bu dönüşüm sayesinde güneş pili çalışmaları hız kazanmıştır ancak güneş pilleri ile üretilen elektrik üretimin maliyetinin yüksek olması ince film yarıiletkenlerin kullanılmasını arttırmıştır. İnce filmler, atom veya molekülün, kaplanacağı yüzeye ayrı ayrı dizilerek birkaç μm kalınlığında oluşan filmlerdir. Son zamanlarda, kalkojen ince filmlere kıyasla, doğada bol bulunması, toksik malzeme içermemesi 1.4-1.5 eV direkt bant aralığına ve 104 cm-1 gibi yüksek bir soğurma katsayısına sahip olmasından dolayı CZTS ince filmleri tercih edilmektedir. Bu çalışmanın amacı CZTS ince filmleri üretilirken (özellikle Sn yerine) yeni elementlerin etkisini deneysel ve teorik olarak ele alıp detaylı incelemektir. Yapılan çalışmada, Sn atomlarını Si ve Ge atomları ile yer değiştirmemizdeki amaç Cu2Zn(Sn:Si)S4 ve Cu2Zn(Sn:Ge)S4'deki üretim maliyetini azaltmak ve ışığın absorbsiyonunu artırmaktır. Cu2Zn(Sn:Si)S4 ve Cu2Zn(Sn:Ge)S4 ince filmleri PV sistemlerde daha etkin kullanılabilmesi amacıyla, dönel kaplama yöntemi ile Cu2Zn(Sn:Si)S4 ve Cu2Zn(Sn:Ge)S4 filmleri camlar üzerine oluşturulmuştur. Farklı ikame oranları (x=0, 0,25, 0,50, 0,75 ve 1) ve farklı H2S (30 ve 40 ccm) oranları ile oluşturulan Cu2Zn(Sn:Si)S4 ve Cu2Zn(Sn:Ge)S4 ince filmlerin yapısal, morfolojik ve optik özelliklerinin, üretim koşullarına bağlı değişimleri incelenmiştir. Oluşturulan ince filmlerin optik özellikleri ultraviyole ve görünür ışık absorbsiyon spektroskopisi (UV-VIS), yapısal özellikleri X ışını kırınımı (XRD) ve Raman spektroskopisi, morfolojik özellikleri ise Taramalı elektron mikroskobu (SEM), ve Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile araştırılmıştır. Yapılan çalışmada, Ge'nin CZTS yapısına ikamesi ile filmlerin kristal boyutunun 32.15 ve 33.53 nm'den 15.67 ve 22.82 nm'ye düştüğü, daha fazla Ge ikamesinden sonra Cu2ZnGeS4 ince filmler için 36.39 ve 28.34 nm'ye kadar arttığı, ayrıca Cu2ZnGeS4 ince filmlerinin dislokasyon yoğunluğunun ve mikro gerinim değerlerinin ters özellikte olduğu belirlenmiştir. Örneklerin Raman spektrumları, yapılara Ge içeriği ekleyerek mavi kaymalı kesterit yapıların oluşumunu kanıtlamıştır. SEM görüntüleri, 30 ccm Ar:H2S akışı altında tavlanan film yüzeylerinin 40 ccm Ar:H2S akışı altında tavlanan film yüzeyine göre daha homojen olduğunu göstermiştir. SEM görüntülerinden elde edilen bulgular AFM görüntüleri ile doğrulanmıştır. CZTS ince filmlerinin optik bant aralığının Ge içeriği ile 1.53 eV'den 2.05 eV'ye yükseldiği görülmüştür. Si'nin CZTS yapısına ikamesi, XRD analizinde pikin ana tepe noktasında 28.52°'den 28.61°'ye bir kayma ile sonuçlandığını ve merkezin kristal boyutunu keskin bir şekilde azaltarak hem dislokasyon yoğunluğunu hem de gerinim değerlerini arttırdığını göstermiştir. Ayrıca Raman spektrumları ile ikincil fazların olmadığı da gözlemlenmiştir. SEM görüntülerinde, Cu2ZnSnS4 ve Cu2ZnSiS4 kristalitlerinin, ince film numunelerinin yüzeyi boyunca üniform olarak dağıldığı görülmüştür. Ayrıca Cu2ZnSiS4 örneğinin yüzeyinde, Cu2ZnSnS4 yüzeyine göre çok daha fazla ve küçük aglomerasyon olduğu belirlenmiştir. UV-vis ölçümleri, CZTS yapısındaki Si içeriğinin artmasıyla optik bant aralığında 1.51'den 3.22 eV'ye doğru bir artış ortaya çıkarmıştır. Sonuçlar, CZTS ince filmlerinin optik bant aralığının, herhangi bir ikincil faz elde etmeden yapıya Si ikamesi ile değiştirilebileceğini göstermiştir. Çalışma sonucunda, geleneksel CZTS yapılarına kıyasla Si ve Ge ikamesinin, daha yüksek bant aralıklı yarı iletkene ihtiyaç duyan çeşitli uygulamalarda kullanılabileceği gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Photovoltaics are devices that convert solar energy directly into electrical energy. Thanks to this transformation, solar cell studies have accelerated, but the high cost of electricity generation produced by solar cells has increased the use of thin film semiconductors. Thin films are films of a few μm thickness by arranging the atom or molecule separately on the surface to be coated. Recently, compared to chalcogen thin films, CZTS thin films are preferred because they are abundant in nature, do not contain toxic materials, have a direct band gap of 1.4-1.5 eV and a high absorption coefficient of 104 cm-1. The aim of this study is to examine the effect of new elements experimentally and theoretically in detail while producing CZTS thin films (especially instead of Sn). In this study, the purpose of replacing Sn atoms with Si and Ge atoms is to reduce the production cost and increase the absorption of light in Cu2Zn(Sn:Si)S4 and Cu2Zn(Sn:Ge)S4. In the study, Cu2Zn(Sn:Si)S4 and Cu2Zn(Sn:Ge)S4 films were formed on glasses by using Spin coating method in order to use Cu2Zn(Sn:Si)S4 and Cu2Zn(Sn:Ge)S4 thin films more effectively in PV systems. The changes in the structural, morphological and optical properties of Cu2Zn(Sn:Si)S4 and Cu2Zn(Sn:Ge)S4 formed with different substitution ratios (x=0, 0.25, 0.50, 0.75 and 1) and different H2S (30 and 40 ccm) ratios were investigated depending on the production conditions. The optical properties of the formed thin films were investigated by ultraviolet and visible light absorption spectroscopy (UV-VIS), their structural properties were investigated by X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy, and their morphological properties were investigated by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). In the study, it were determined that the crystal size of the films decreased from 32.15 and 33.53 nm to 15.67 and 22.82 nm with the substitution of Ge into the CZTS structure, after more Ge substitutions, it increased up to 36.39 and 28.34 nm for Cu2ZnGeS4 thin films, and also the dislocation density and micro-strain values of Cu2ZnGeS4 thin films were inverse. The Raman spectrum of the samples proved the formation of blue-shifted questerite structures by adding Ge content to the structures. SEM images showed that the film surfaces annealed under 30 ccm Ar:H2S flux rate were more homogeneous than the film surface annealed under 40 ccm Ar:H2S flux rate. Findings from SEM images were confirmed with AFM images. It was observed that the optical band gap of CZTS thin films increased from 1.53 eV to 2.05 eV with Ge content. Substitution of Si into the CZTS structure resulted in a shift of the peak from 28.52° to 28.61° at the main peak in the XRD analysis and showed that the crystal size of the center sharply decreased and increased both the dislocation density and strain values. In addition, the absence of secondary phases was observed with Raman spectrum. In the SEM images, it was observed that the Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnS4 crystals were uniformly distributed along the surface of the thin film samples. In addition, it was determined that there was much more and small agglomeration on the surface of the Cu2ZnSiS4 sample compared to the Cu2ZnSnS4 surface. UV-vis measurements revealed an increase in optical band gap from 1.51 to 3.22 eV with the increase of Si content in the CZTS structure. The results showed that the optical bandgap of CZTS thin films can be changed by Si substitution into the structure without acquiring any secondary phase. As a result of the study, it has been shown that Si and Ge substitution can be used in various applications that require higher band gap semiconductors compared to conventional CZTS structures.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    861061

    Solution-processed thin film deposition and characterization of multinarychalcogenides: Towards highly efficient Cu2BaSn(S,Se)4 solar devices

    Solüsyon yöntemiyle sentezlenmiş çok elementli kalkojenitlerin ince film kaplama ve karakterizasyonu: Yüksek verimli Cu2BaSn(S,Se)4 bazlı güneş soğuran cihazlara doğru

    BETÜL TEYMUR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    EnerjiDuke University

    Malzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DAVİD B.MİTZİ

  2. Tez No

    580587

    CZTSSe thin film: growth, characterization and solar cell applications

    CZTSSe ince film: büyütme, karakterizasyon ve güneş hücresi uygulamaları

    MAKBULE TERLEMEZOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    EnerjiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET PARLAK

    PROF. DR. RAŞİT TURAN

  3. Tez No

    508171

    Investigation of the optical properties of Cu2ZnSnSe4 and detection of the secondary phases in Cu2ZnSnSe4 solar cell absorbers by spectroscopic ellipsometry

    Başlık çevirisi yok

    ÖZDEN DEMİRCİOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiCarl von Ossietzky Universität Oldenburg

    Prof. Dr. JURGEN PARISI

  4. Tez No

    725184

    Characterization of chemically deposited intermediate bufferlayers for cu2znsn(sse)4 solar cells

    Başlık çevirisi yok

    NURHAYAT YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Metalurji MühendisliğiTallinn University of Technology

    DR. MARE ALTOSAAR

  5. Tez No

    421103

    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

    İngilizce

    2015

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ELİF ÜLKÜ ARICI

Geri Dön