Nano-si Kolon Yapılarının Güneş Pili Uygulamaları İçin Tasarlanıp, Üretilip, Karakterize Edilmesi

Abstract

Enerji ihtiyacı 19. yüzyılda sanayileşme ile birlikte artmaya başlamış ve günümüzde küresel bir sorun halini almıştır. Bunun başlıca nedenleri ise Dünya nüfsunun son 40 yıl içersinde iki katına çıkması ve giderek artan yaşam standartlarıdır. Gelişmiş ve sanayileşmiş ülkelerde elektrik enerjisi üretimi, iletimi ve dağıtımı stratejik yönetim olarak kabul edilmektedir. Fakat son yıllarda yaşanan Chernobyl, Fukushima gibi nükleer felaketler, karbon salınımı ve sera gazlarının neden olduğu küresel ısınma bir çok ülkeyi elektrik enerjisi üretiminde yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Bu ülkelerin başında 2030 yılında enerji üretiminin %50sini yenilenebilir enerji kaynaklarından elde etmeyi planlayan Almanya gelmektedir. Almanya’nın ardından temiz enerjiye büyük oranda yatırım yapan diğer ülkeler arasında İtalya, 2011 yılında yaşadığı tsunami ve nükleer felaketten sonra enerji politikalarını büyük ölçüde değiştiren Japonya, ABD ve Çin başı çekmektedir. Güneş enerjisinin sonsuz bir enerji kaynağı olması, güneş pili üretiminde kullanılan silisyumun doğada bol bulunan ve temiz bir element olması, sadece %10 verimlilikle Sahra çölünde 700km2 lik alana düşen güneş enerjisinin dünyanın ihtiyaçlarını karşılamaya yetecek olması ve nanoteknolojik malzeme ve yeni üretim teknolojileriyle verimliliğin arttırılıp fiyatların düşmesi hem akademik alanda hem sanayide bu alana milyar dolarlık yatırımlar yapılmasını sağlamıştır. Güneş hücreleri genel olarak p ve n tip olmak üzere iki tip yarı iletkenin birleşmesinden oluşur. İki tür yarı iletkenin yüzeyleri bir araya geldiği zaman n tip yarı iletkende çoğunuk taşıyıcılar olan elektronlar arkasında bir “boşluk” bırakarak p tip yarı iletkene geçer ve burdaki pozitif değerlikteki “boşluk”larla birleşir. Aynı şekilde p tip yarı iletkendeki çoğunluk taşıyıcı olan pozitif yüklü “boşluk”lar da n tip yarıiletken tarafına geçerek burdaki negatif yülü elektronlarla birleşir ve deplesyon bölgesi denilen yüksüz bölgeyi oluştururlar. Bu durum iki yarıiltken bi araya geldiğinde kendiliğinden oluşan durumdur. Bu sistem bir ışığa yani foton uyarımına maruz kaldığında n tip yarı iletkendeki azınlık taşıyıcılar (boşluklar), p tip yarı iletkendeki azınlık taşıyıcılar (elektronlar) deplesyon bölgesinden karşı tarafa geçerek akım oluştururlar. Ilk jenerasyon güneş pilleri temel olarak iki tip yarı iletkenin birleşiminden oluşmaktadır. İkinci jenerasyon piller Cadmium Telluride (CdTe), Copper Indium Gallium Selenide (CIGS), Copper Zink Tin Sulfide (CZTS) gibi katkılı malzemelerden oluşan ince filmleri (1 mikrondan daha ince katmanlar) içerir. Fakat bu malzemeler doğada kısıtlı sayıdadırlar. Üçüncü jenerasyon piller quantum dot temelli güneş pilleridir. Quantum dotlar boyutları değiştirilerek band aralığı değiştirebilen yarı ilekten parçacıklardır ve bu özellikleri de onları güneş pillerinde absorbe edilen radyasyon aralığını genşletme açısından ideal kılar. Son olarak dördüncü jenerasyon piller hibrid inorganik kristaller ve organik yarı iletken polimer yapının birleşiminden oluşan güneş pilleridir. Bu tezde güneş pili uygulamları için inorganik kristal olarak amorf yapıda n tip yarı iletken silisyum kullanılmış farklı geometrilerde üretilerek güneş pili verimliliğini etkileyen parametreleri incelenmiştir. Silisyum ince filmler fiziksel buhar depolama yöntemiyle düz filmler halinde ve açılı depolama yöntemi ile spiral, yatay, dik kolonsal olarak çeşitli geometrik yapılarda üretilmiş düz yüzeyle optik ve yapısal olarak karşılaştırmaları yapılmıştır. Organik yarı iletken olarak PEDOT:PSS seçilmiş ve güneş pili uygulamarı için geçirgenlik ölçümleri yapılmıştır. Güneş pillerinde verimliliği arttırmanın en önemli faktörü p ve n tip yarı iletkenlerin arayüzey alanını arttırmaktır. Başka bir deyişle p ve n tip yarı iletkenler birbirlerine ne kadar çok temas ederlerde elektron ve “hole” üretimi o kadar fazla olur. Belirli bir kalınlıktan sonra malzemeler yük taşıyıcılar için bariyer oluşturacağından malzemeyi kalınlaştırmak yaklaşık 1 mikrondan sonra verimliliği arttırmayacak tam tersine düşürecektir. Silisyum için optimum aralık 300-800nm arasındadır. Bu nedenle önemli olan farklı tasarım ve geometrilerle p-n ekleminin arayüzeyini arttırmaktır. Güneş pili verimliliğinde ikinci önemli faktör ışığı emici malzemenin yansımasını düşürerek daha fazla foton absorbe etmesini sağlamak böylece daha fazla elektron ve “hole” üretimi elde etmek. Işık emici yüzey ne kadar ışık tutarsa sistemin verimliliği o kadar fazla olacaktır. Dördüncü jenerasyon güneş pillerinde başka bir önemli faktör yüzeyin su severliğidir. Silisyum normal şartlarda hidrofobik bir karaktere sahip olduğundan farklı geometrilerle ve yüzey porozitesiyle hidrofilikliği arttırılırsa organik polimer yüzeyde daha iyi bir şekilde yayılacak ve daha düzgün bir p-n eklemi oluşacaktır. Son olarak güneş pili için dikkat edilebilecek önemli bir husus elektrod için kullanılacak malzemelerin seçimidir. Kontakt olarak kullanılacak iletken malzemelerin güneş pilinde kullanılan yarı iletkenlerle Schottky bariyeri oluşturmadığına dikkat edilmelidir. Elektrodlar ile yarı iletken malzemeler arasındaki bağlantı kayıp olmaması açısından Ohmic olmalıdır. Silisyum ve polimer yarıiletkenler için en iyi elektrod malzemeleri Al, Ag ve Indium Tin Oxide (ITO)’dır. Bu çalışmada yaklaşık 450nm silisyum düz yüzey, 80o açı ile tutularak eğik kolonsal yapılar ve 80o ile 25rpm hızla döndürülerek dikey kolonsal yapılar fiziksel buhar depolama yöntemi ile yaklaşık 10-7 Pascal basınç altında 1 Å/s depolama hızıyla elde edilmiştir. Örneklerin kesit ve üsy yüzeylerinin elektron mikrsokopu görüntüleri alınmış kolonsal yapıların üst yüzeylerinin düz filmden çok daha poruslu olduğu görülmüştür. UV-VIS spektroskopisinde yapılan ölçümlerle kolonsal yüzeylerin yansımasının düz yüzeyden çok daha az olduğu tesbit edilmiştir ki bu da güneş pili verimliliğinde ışık emici yüzey için verimliliği arttıracak önemli bir faktördür. Düz yüzetin yansıması 0.8-0.9 civarında iken kolonsal yüzeylerin yansımaları 0.5 ve 0.3 aralığındadır ki düşen yansıma değeri foton absorbansını arttırmaktadır. Örneklerin su ile temas açısı ölçümleri yapılmış silisyum düz yüzeyin temas açısı ortalama 95o iken kolonsal yapıların temas açılarının ortalama 60o olduğu görülmüştür. Poruslu yüzey yapısı silisyumun hidrofobikliğini azaltmıştır. Bu da hibrid güneş pilleri için önemli olan polimer yüzeyin silisyumla daha iyi bir p-n eklemi oluşturmasını sağlamaktadır. Örneklerin XRD ölçümleri yapılmış fakat amorf yapılar kullanıldığından dolayı pik gözlemlenmemiştir. Çalışmada organik polimer olarak kullanılan PEDOT:PSS spinner ile yüzeye kaplanmıştır. Parçacıklı yapısı nedeniyle 45mikronluk süzgeçten geçirilmiş yüzeye damlatılıp 1dk beklendikten sonra 2000rpm hızda iki kere döndürülerek yüzeye kaplanmıştır. Alınan kesit SEM görüntülerinde görülmüştür ki PEDOT:PSS kolonsal yüzeylerde hem yüzeyin su severliği nedeniyle daha iyi yayılmış hem de poruslu yapısı nedeniyle daha geniş bir p-n eklemi oluşturmuştur. Düz yüzeylerde ise yüzeyin hidrofobikliği nedeniyle homojen bir dağılım ve geniş bir kesit alanı gözlenememiştir. Kesit alanının genişliği ve yüzey hidrofilikliği güneş pili verimliliğini etkileyen en önemli faktörlerdendir. Son olarak UV-VIS spektroskopisi ile PEDOT:PSS’in geçirgenliği incelenmiş ve geçirgenlik oldukça yüksek çıkmıştır. Bu da güneş ışınlarının polimerden geçerek silisyum absorbera ulaştığını göstermektedir. Literatürde gerek fiziksel buhar depolama yöntemi ile gerek kimyasal depolama ve aşındırma yöntemleri ile elde edilen kolonsal yapıların düşük yansıması nedeniyle opto-elektronik cihazlarda verimliliği arttırıdğı hem silisyum hem diğer malzemler için görülmekte ayrıca bu tür yapılar elektro-kimyasal olarak sentezlenmiş güneş pillerinde verimliliği arttırmak amacıyla “anti-reflection coating” olarak kullanıldığı görülmüştür. Bu tür yapılar aynı zamanda açık devre voltajı, kısa devre akımı, “fill factor” gibi fotovoltaik özelliklerin gelişmesine de yardımcı olmuştur. Bu tip cihazların verimliliğini arttırmak için yapılabilecek diğer yöntemlerin başında amorf malzeme kullanmakar yerine “dangling bond”lardan kaynaklanan kayıpları önlemek amacıyla kristal malzeme kullanmak gelmektedir. Ayrıca oksitleme gibi yüzey iyileştirme yöntemleri de kullanılabilir. Kimyasal buhar depolama ve aşındırma yöntemiyle yüzey alanını ve poruslu yapıyı arttırmak amacıyla çeşitli tasarım ve geometride malzemler üretilebilir. Karbon nanotüp ve quantum dotlar kullanılarak emici yüzeylerin absorbansı arttırılabilir. “bottom-up” yöntemler için yüzeyi soğutmak kolonsal yapıların yüzeyde daha düzgün dağılmasını sağlayacağından daha homejen bir yapı elde edilebilir. Ayrıca çeşitli kimyasallarla (dimethyl sulfoxide, methoxyethanol) PEDOT:PSS yarı iletken polimerin “hole” konsantrasyonu arttırılabilir.

Energy demand has had an increasing growth since industrial revolution at the end of the 19th century. One reason for growth of energy demand is increasing world population. It has doubled in last 40 years. The second reasons is rising in life standarts. Generation, transmission and distribution of electricity were considered as a strategic management for a lot of country. However nuclear accidents in Chernobyl and Fukushima, global warming problem and carbon emission, direct a lot of countries to the renewable energy sources. Germany is the leader country in solar energy investments and has a national target to obtain 50% of its energy consumption from renewable energy sources. Investments and researches have been increasing in this field in last two decades due to the abundance of silicon in the nature, sun is an infinite source, less cost and less material consumption through cutting-edge material deposition techniques. Solar cells contain p-n junction which can be conceived as two type of semiconductors have a surface in common. In this system majority careers in n type (electrons) begin to diffuse into p region and recombine with holes. Similarly, majority careers from p type semiconductor (holes) begin to diffuse into n region and recombine with electrons. Therefore depletion layer, where no charge careers exist, occured near the junction. When this system expose to the light minority careers from both sides cross through depletion zone and generete a current. First generation solar cells are based on simple p-n junction. The second generation cells are made of doped thin films typically Cadmium Telluride (CdTe), Copper Indium Gallium Selenide (CIGS), Copper Zink Tin Sulfide (CZTS). These materials have ideal bandgap for solar cells however their scarcity and cost limit the use. The third generation solar cells are made of quantum dots. QDs are semiconductor particles and their bandgap can be tunable. Through this property this structures are able to harvest wide range of solar radiation. The fourth generation of solar cells are based on hybrid inorganic crystals within polymer molecules. In this thesis n type amorphous silicon columnar structures were deposited through glancing angle deposition technique in different geometries. Cross-sectional and top-view SEM images show that these structures have more porous structures compared to flat surface. As a result of this colomnar structures possess less reflectivity according to the UV-VIS spectroscopy which means these structures absorb more photons comapred to flat surface. This is an important factor to increase efficiency of solar cells by increasing light trapping. Porous surface have also changed the surface hydrophobisity. According to the contact angle measurements flat silicon have 98 while columnar structures have 71 and 61. This is important both for increase light trapping and better distribution of PEDOT:PSS hole conductor polymer layer on the surface. AFM images scanned in 1μmx1μm area also shows that columnar structures exhibit more surface roughness compared to flat surfaces. PEDOT:PSS was covered using spin coating method. First it was dropped onto surface and wait for 1min. then it was spin coated with 2000rpm twice. UV-VIS spectroscopy shows that PEDOT:PSS is highly transparent and suitable for solar cell applications. Also SEM images of PEDOT covered silicon structures show that columnar structures have larger p-n junction interface area due to both porous surface and hydrobilicty. Another method to increase efficiency of such structures is to create different geometries by different methods such as chemical vapor deposition and etching to increase surface porosity. We can also use mono-crystalline materials instead of poly-crystalline and amorphous materials to prevent dangling bonds which can cause current leakage. Also surface treatment techniques such as oxidation and hydrogen terminating can be apply to the absorber layer surface. For bottom up methods cooling down the substrate provides better distrubution of columnar structures. Quantum dots and carbon nanotubes can be added to absorber layer to reduce reflectivity and increase absorption. Some chemicals can be added to PEDOT:PSS polymer to increase hole concentration.