Characterization Of Electrochemically Prepared Cis Thin Films

Abstract

Önümüzdeki 20 yıl içerisinde dünyadaki enerji talebinin önemli ölçüde yükselmesi beklenmektedir. Bu yükseliş nedeniyle de alternatif enerji kaynaklarına olan ilgi artmıştır. Günümüzde elektrik üretiminin büyük bir kısmı fosil yakıtlarla karşılanmaktadır. Kaynakların hızla tükenmesi ve yakıtların elektrik enerjisine dönüştürülürken ürettikleri zararlı gazlar nedeniyle çevreyi kirletmesi yenilenebilir, temiz enerji kaynaklarına gösterilen ilgi ve verilen önemin artmasına sebep olmuştur. Önemli çevre dostu enerji kaynaklarından biri güneştir. Güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çevirebilmek için güneş hücreleri kullanılmaktadır. Bunlar geleneksel ve yeni nesil olmak üzere iki çeşittir. Geleneksel güneş hücreleri kristalik silikondan yapılmaktadır. Ancak, verimlerinin daha yüksek olmasına rağmen, belirli yarı-iletkenlerin üretim için gereken miktarının daha az olması ve daha ucuza üretilebilmeleri nedeniyle yerini yeni nesil polikristalik ince-film güneş hücrelerine bırakmaktadır. İnce-film güneş hücrelerinin 3 temel çeşidi bulunmaktadır. Bunlar kullanılan yarıiletkene göre farklılık gösteren amorf-silisyum (a-Si), kadmiyum tellürid (CdTe) ve bakır indiyum (galyum) di-selenid?dir (CI(G)S). CIGS, tetragonal yapıda bir yarı-iletkendir. İnce film güneş hücrelerinde ışık emici malzeme olarak kullanılmaktadır. Direkt geçişli bant yapısı, uygun bant aralığı(1.05eV-1.68eV) ,yüksek soğurma katsayısı (~105 Cm-1), uygun elektriksel ve optiksel yapısı ve çeşitli üretim yöntemleri için uygun olması nedeniyle yüksek verim elde edilebilen CIGS?ler fotovoltaik alanın önemli bir araştırma konusudur. Polikristal CIS ince filmlerin üretilmesinde piroliz, püskürtme, buharlaştırma, epitaksi, selenleştirme gibi yöntemler kullanılmaktadır. Elektrokaplama yöntemi ise ucuz olması, vakum işlemler gerektirmemesi ve zehirli gazlar kullanılmaması sebebiyle tercih edilen bir yöntemdir. Sadece 1-2 ?m kalınlığında olan CIS?ler bu yöntemle cam veya folyo üzerine monte edilebilirler. Günümüzde genellikle cam kullanılan düzenlere rastlanmaktadır. Elektrokaplama ile hazırlanan CIS güneş pillerinin yüzey morfolojisi, element bileşimi, kristal yapısı, optoelektronik özellikleri ve kuantum verimliliği çeşitli makalelerde incelenmiştir. CI(G)S?ler p-tipi veya n-tipi olabilirler. Yüksek kaliteli fotovoltaik sistemlerde kullanılan CI(G)S filmler selenyum zengin ortamda üretilen p-tipi yarı-iletkenlerdir. Laboratuvar ortamında kaydedilmiş olan en yüksek verim ~%19,5?tur. Bu yüksek verim CIGS?in yüksek soğurma katsayısı, direkt geçişli bant yapısı, uygun yasak enerji bant aralığı ve uygun elektriksel ve optiksel yapısı sayesinde elde edilmiştir. CI(G)S?in yüksek soğurma katsayısı filmde güneş ışın şiddetinin %95?inin soğurulması imkan sağlamaktadır.CI(G)S kullanılan sistemlerde cihazların davranış biçimleri tam olarak anlaşılamamaktadır. Elektriksel yapı bozukluklarının kaynakları tam olarak bilinmemektedir. Yapısal bozuklukları, katı-hal fiziği prensiplerini, üretim aşamalarını, cihazın nasıl çalıştığını ve laboratuvar ortamında elde edilen değerlerdeki verimlilik kayıplarının sebebini anlamak daha yüksek verimli sistemler tasarlayabilmek ve üretebilmek için gereklidir. Filmlerin kristalik yapısı, kompozisyonu, yüzey morfolojisi, yasak bant genişliği ve elektriksel özellikleri güneş hücrelerinin verimli çalışmasıyla doğrudan ilgili olduğu için, nasıl çalıştıklarının incelenmesi gerekmektedir. Elektrokimyasal yöntemle kaplanan CIS filmler UV-spektroskopi, X-Ray kırınımı, tarama elektron mikroskobu ve enerji dağılım spektroskopi yöntemleri ile incelenmiştir.

As the energy demand in the world increases, more and more extensive research is undertaken concerning renewable energy sources. Developing reliable and low-cost technologies to make use of renewable energy sources is the main objective of many research topics. Several researches are on-going to develop efficient photovoltaic devices which are used to convert solar energy directly to electricity. New generation thin film solar cells are rapidly replacing the traditional Si solar cells because less material is needed and they can be produced at a lower cost. Among the thin film solar cell materials, CIS has attracted research due to its high potential, having a direct band-gap within the maximum solar absorption region, a high absorption coefficient and appropriate electrical and optical properties for production, as has been demonstrated by the ~20% conversion efficiency. The working mechanism of the CIS devices is not well understood and the causes of defects in the electrical structure are not well known. Structural defects, principles of the solid-state physics, manufacturing methods, functioning of the device and efficiency losses found in laboratory conditions should be studied in order to design and manufacture high efficiency solar cells. The subject of this study is to investigate and evaluate the CIS solar cells prepared by electro-deposition and to determine the conditions at which the cells work more efficiently. The electro-deposition was carried out in an electrochemical cell using a standard three-electrode system. The reference electrode was saturated calomel electrode, the counter electrode was Pt gauze, and the working electrode was a ITO-coated soda lime glass substrate. Films were deposited in an unstirred bath for 15 minutes at room temperature, at -650mV as determined by cyclic voltammograms. The deposited films were rinsed with distilled water, dried in N2 gas, and selenized with Ar at 400°C. The structural and optical properties of the films were analyzed by UVspectroscopy, X-Ray Diffraction and scanning electron microscopy.