The production and investigation of antimony based thin films for energy applications
Enerji uygulamaları için antimon temelli ince film kaplamaların üretimi ve incelenmesi
- Tez No: 924849
- Danışmanlar: PROF. DR. İDRİS AKYÜZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Eskişehir Osmangazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katıhal Fiziği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 145
Özet
Bu tez çalışması kapsamında, Sb2S3 yapısı içerisine iki aşamalı bir yöntemle Cu veya Bi elementleri eklenerek bu metallerin malzemenin fiziksel özellikleri üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi ve özellikle optik bant aralığı ve elektriksel özdirenç değerleri açısından arzu edilen iyileştirmelerin sağlanması hedeflenmiştir. İlk aşamada öncül kaplamalar ısıl buharlaştırma yöntemi ile elde edilmiş, ikinci aşamada ise bu öncül kaplamalar bir fırında sülfür atmosferinde ısıl işlemlere tabi tutularak etkin bir metal difüzyonu ile filmler elde edilmiştir. Cu içeren Sb2S3 filmleri için öncül kaplamalar Cu/Sb2S3 formunda hazırlanmış ve bu öncül kaplamalar için ısıl işlemlerde kullanılan başlangıç ısıl işlem sıcaklığı anahtar parametre olarak belirlenmiştir. Biri oda sıcaklığında fırına yerleştirilerek kademeli olarak 325 ◦C sıcaklığa kadar ısıtılan ve bu sıcaklıkta ısıl işlem gören (RSC) ve bir diğeri ise doğrudan 325 ◦C sıcaklığa önceden ısıtılmış bir fırın içerisine yerleştirilerek ısıl işlem gören (DSC) olmak üzere iki numune grubu oluşturulmuştur. Ayrıca Bi/Sb2S3 formunda bi-layer (BSB) ve Bi/Sb2S3 (5 tabaka) formunda multi-layer (MSB) olarak iki farklı geometride hazırlanan öncül kaplamalar farklı sıcaklıklarda (180, 200, 220, 240 ve 260 ◦C) sülfür atmosferinde ısıl işleme maruz bırakılarak Bi içeren Sb2S3 filmleri elde edilmiştir. EDX analizleri Cu elementini içeren tüm örneklerin kükürt (S) zengini karakter sergilediğini, başlangıç ısıl işlem sıcaklığının sülfür/metal oranını önemli ölçüde etkilediğini ve yapıdaki S miktarının başlangıç ısıl işlem sıcaklığı ile değiştirilebileceğini göstermiştir. Bi elementini içeren örneklerde, öncül kaplamalar çok katmanlı geometri ile hazırlandığında, ısıl işlemler sırasında etkili bir metal difüzyonunun ve Sb metalinin yapıdaki aktivitesinin düşük sıcaklıklarda bile sağlanabildiği görülmüştür. Ek olarak, BSB filmleri için artan sıcaklıkla S/Sb oranının neredeyse sabit kalması ve Sb/Bi oranının artması yapıda sıcaklığa bağlı bir Bi kaybı olduğunu göstermiştir. XRD analizleri Sb2S3 filminin büyüme mekanizmasının yapıya Cu elementinin eklenmesiyle değiştirilebileceğini göstermektedir. Bu analizlerin bir diğer önemli çıktısı (hk1) düzlemleri boyunca büyümenin Sb2S3 filmlerinde Cu ilavesiyle tetiklenebilmesidir. Bunların yanı sıra yüksek miktarda Cu içeren numunelerde Cu2S ve Cu3SbS4 şeklinde ikili ve üçlü fazların oluştuğu da dikkat çekmektedir. BSB numune grubu için XRD desenleri tüm filmler için baskın olan bir pik göstermiştir. Bu pik, Bi2S3 ve Sb2S3 bileşiklerinin benzer kristalografik özellikleriyle ilişkili olan (Sb1.427Bi0.573)S3 (PDF: 01-075-4020) üçlü fazı olarak belirlenmiştir. Bununla birlikte, BSB grubu filmlerde baskın olarak görülen üçlü faz ve Bi2S3 fazının, filmler çok katmanlı geometride hazırlandığında ve 220 ◦C ve üzeri sıcaklıklarda ısıl işleme tabi tutulduğunda ortadan kalktığı belirlenmiştir. Raman analizleri Sb2S3 yapısının hem DSC hem de RSC numune grubunda korunduğunu, özellikle yüksek miktarda Cu içeren numunelerde meydana gelen ikincil fazların Sb2 S3 'ün karakteristik Raman pikleri olan 286 ve 310 cm-1 'deki piklerde bir kaymaya neden olduğunu göstermiştir. BSB geometrisine sahip filmler için düşük sıcaklıklarda Sb2S3 fazının karakteristik Raman pikleri gözlenmezken, sıcaklık arttıkça bu pikler Raman spektrumunda baskın olmaya başlamıştır. Öte yandan, MSB geometrisine sahip filmler için düşük sıcaklıklarda bile Sb2S3 fazına ait pikler gözlenmiştir. Bununla birlikte, bu pikler Sb2S3 fazının karakteristik pikleri değildir ve literatürde genellikle düşük yoğunluklu pikler olarak rapor edilmektedir. Artan sıcaklıkla birlikte, bu piklerin etkilerini kaybettiği ve karakteristik Sb2S3 piklerinin baskın olarak ortaya çıktığı belirlenmiştir. Bu durumun yüksek ısıl işlem sıcaklıklarındaki Bi kaybı sonucunda yapının Sb baskını hale gelmesinden kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Hem RSC hem de DSC numune gruplarında filmlerin soğurma spektrumlarında iki farklı soğurma kenarı gözlenmiştir. 1. bölgedeki soğurma kenarı Sb2S3 fazından kaynaklanırken, 2. bölgedeki soğurma kenarının ise Cu ile ilişkili ikincil fazlardan kaynaklandığı ve özellikle yüksek miktarda Cu içeren numunelerde baskın olduğu değerlendirilmiştir. Cu elementi ilavesi optik bant aralığı değerlerinin güneş pili uygulamaları için istenen bir değer olan 1.53 eV'ye kadar düşmesine neden olmuştur. MSB numune grubu için optik bant aralığı hesaplamaları değerlendirildiğinde, özellikle 180 ◦C, 200 ◦C ve 220 ◦C'de ısıl işleme tabi tutulan numuneler için Sb2S3 filmlerinin optik bant aralığı değerlerinin azaltılabileceği sonucuna varılmıştır. AFM ve SEM analizleri sonucunda, RSC örneklem grubuna ait filmler için Cu elementi ilavesinin yüzey yapılanmasını tamamen değiştirdiği ve yüzeyde taneli yapıların oluştuğu görülmüştür. Bi içeren Sb2S3 filmlerinin ise öncül kaplamalar iki katmanlı geometri yerine çok katmanlı geometri ile elde edildiğinde tanecikli bir yüzey yapısından ziyade iğne tipi bir yapı sergilediği dikkat çekmektedir. Değerlendirmeler, 180 ◦C'ye kadar düşük sıcaklıklarda bile öncül kaplama geometrisini değiştirerek yüzey yapılanmasında dramatik değişiklikler yaratılabileceğini göstermektedir. Bununla birlikte, MSB numune grubuna ait filmler, iki katmanlı geometri ile üretilen filmlere göre çok düşük pürüzlülük değerleri göstermiştir. Öncül kaplamalarda sırasıyla 40 ve 50 nm Cu içeren DSC_40 ve DSC_50 numuneleri için elektriksel özdirenç değerlerinde belirgin bir azalma gözlenmiştir. Bu durumun filmlerin baskın büyüme yönelimindeki değişikliklerle ilgili olabileceği gibi, yapısında bulunan Cu metali ve Cu ile ilgili elektriksel olarak aktif fazlara bağlı olabileceği de düşünülmektedir. Bi içeren Sb2S3 temelli filmler için ise düşük sıcaklıklarda Bi ilavesi ve öncül kaplama geometrisinde çok katmanlı yapı kullanılması ile önceki çalışmalara göre oldukça düşük elektriksel özdirenç değerleri elde edilmesi önemli bir çıktı olarak elde edilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında yapılan araştırmalar ile özellikle enerji uygulamaları için umut verici bir malzeme olan Sb2S3 filmlerinin, teorik olarak vadettikleri performansları deneysel olarak da sergileyebilmesinde dar boğaz oluşturan, yüksek optik bant aralığı ve yüksek elektriksel özdirenç değerlerinin Sb2S3 yapısı içerisine Cu veya Bi elementleri eklenerek düşürülmesi hedeflenmiştir. Yapılan değerlendirmeler sonucunda, metal ilavesi yanında filmlerin elde edilmesinde değerlendirmeye alınan başlangıç ısıl işlem sıcaklığı ve öncül kaplama geometrisi gibi farklı parametrelerin gelecekteki çalışmalar için yol gösterici olabileceği düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Unlike the materials commonly used in thin-film photovoltaic technologies, Sb2S3 films promise a high potential in energy applications with their unique properties such as containing abundant and non-toxic elements, stability and high absorption coefficient. However, theoretically predicted efficiency values cannot be reached for Sb2S3 based photovoltaic solar cell devices. High optical band gap and high electrical resistivity values are the main reasons for this. The motivation of this Ph.D. thesis is to add Cu and Bi metals into the Sb2S3 structure by applying new and alternative methods in the production process and to find solutions for the high optical band gap and high electrical resistivity problems of Sb2S3 film, which is known as an emerging material for solar cell technologies. It is aimed to obtain Cu or Bi containing Sb2S3 films with a two-stage process. In the first stage, the precursor coatings were obtained by thermal evaporation method, and in the second stage, these precursor coatings were subjected to heat treatment for an effective metal diffusion in a furnace in sulfur atmosphere. Precursor coatings for Cu-containing Sb2S3 films were prepared in Cu/Sb2S3 form and the initial heat treatment temperature was determined as the key parameter. In addition, precursor coatings prepared in two different geometries as bi-layer form of Bi/Sb2S3 and multi-layer form of Bi/Sb2S3 (5 layers) were subjected to heat treatment in a sulfur atmosphere at different temperatures (180, 200, 220, 240 and 260 ◦C) and Bi containing Sb2S3 films were obtained. Analyses were performed by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, X-ray Diffraction, Raman spectroscopy, Atomic Force Microscopy, Scanning Electron Microscopy and Four-Probe Technique to investigate the effect of incorprating Cu and Bi metals and selected initial parameters on the physical properties of Sb2S3 films. As a result of the analyses and evaluations carried out, it has concluded that the properties of Sb2S3 films containing Cu and Bi can be improved by using parameters such as initial heat treatment temperature and precursor coating geometry during metal incorpration processes, and outputs of this study may be a solution to common problems such as high optical bandgap and high electrical resistivity value of Sb2S3 films.
Benzer Tezler
- Cam hammaddesi mineralojisi ve cam teknolojisi
Mineralogy of glass raw materials and glass technology
YUSUF ÖBELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Jeoloji MühendisliğiNiğde ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ÇOPUROĞLU
- Recovery of antimony from smelter slag
İzabe tesisi cürufundan antimon kazanımı
AHMEDALJAALI IBRAHIM IDREES IBRAHIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Maden Mühendisliği ve MadencilikÇukurova ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUT ALTINER
- Gıda ile temas eden PET ambalajların migrasyon durumlarının araştırılması
Investigation of migration potential in food contact PET packagings
ESMA KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Gıda MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiLif ve Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN BASRİ KOÇER
- Investigation of metal artifacts of Tarsus/Gözlükule from the second and third millenia B.C.
Tarsus/Gözlükule M.Ö. ikinci ve üçüncü binyıl metal buluntularının incelenmesi
EMRE KURUÇAYIRLI
- Tekstil temiz üretiminde sürdürülebilirliğin araştırılması ve yenilenebilir enerji kaynaklarından aktif karbon üretimi
Investigation of sustainability on textile cleaner production and active carbon obtained from renewable of energy sources
BÜŞRA ARDIÇ KURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Polimer Bilim ve TeknolojisiMarmara ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE DİLARA KOÇAK