ZNS VE CU2ZNS4(CZTS) İNCE FİLMLERİN SENTEZİ, KARAKTERİZASYONU VE OPTOELEKTRONİK UYGULAMALARI

Abstract

Çinko sülfür (ZnS), optoelekronik cihazlar için en önemli yarı iletkenlerden biridir. Genellikle çevre dostu özelliğinden dolayı yüksek verimli Cu2ZnSnS4 (CZTS) güneş hücrelerinde tampon tabaka olarak kullanır. Bu tez çalışmasında yapılan tüm filmlerin hepsi sol-jel daldırarak kaplama tekniği ile sentezlenmiştir. Bu çalışmada ilk kez ZnS1-xNaxS, Zn1-xSnxS ve Zn1-xLaxS (x=%0-15) ince filmleri çözelti tabanlı sol-jel metodu ile cam ve Si (fiziksel olarak aşındırılmış) altlıklar üstünde 6000 c’de vakum ortamında üretilerek Na+ , Sn+2, ve La+3 katkılarının ve katkı oranlarının yapısal, optiksel ve lüminesans özelliklerine etkisi incelenmiştir. Benzer biçimde CZTS ince filmleri de sol-jel yöntemiyle farklı sıcaklıklarda (400, 450, 500 ve 5500C) aynı altlıklar üzerinde büyütüldü. Hazırlanan her iki tip ince filmlerin fiziksel özellikleri XRD, Raman, SEM, AFM, XPS, EDX, haritalama fotolüminesans, UV-Vis spektroskopisi, Hall etkisi, akım-voltaj(I-V) ölçüm sistemleri ve solar sümilatör ölçüm sistemleri ile karakterize edildi. Hazırlanan ZnS1-xNaxS, Zn1-xSnxS ve Zn1-xLaxS (x=%0-15) ince filmlerinin karma kübik ve altıgen ZnS polikristal fazına sahip olduğu fakat baskın (111) kübik düzlemi boyunca yüksek tercihli yönelime sahiptirler. Bu film grubu içerisinde Zn1-xSnxS ince filmlerin kristal kalitesinin daha yüksek olduğu anlaşıldı. Her üç filminde yüzey morfolojisi homojen ve yoğundur. FTIR, XPS, ve EDX analizi sonuçları üç film grubunda da ZnS bağ oluşumu ve Zn+2 , Na+ , Sn+2, La+3, katkı tür ve oranlarıyla beraber ZnS ince filminin optik yasak bant aralığı değeri ve fotolüminesans şiddeti değişim gösterdi. Bu filmlerde p/n tipi Si üzerine kaplanan filmlerin I-V grafiklerinin omik olmayan davranış sergilemesinin p-n eklem oluştuğunu göstermektedir. Diğer taraftan hazırlanan CZTS ince filmlerinin (112) yönelimli karakteristik CZTS kesterit faz yapısında kristallendiği gözlemlendi. Kristallenme derecesi tavlama sıcaklığına ve süresine bağlı olarak değişti. Yüzey ve elementsel analiz sonuçları CZTS film yüzeylerinin homojen fakat pürüzlü olduğunu ve Cu, Zn, Sn,ve S atomlarını belirli oranda içerdiğini gösterdi. Optik ölçüm sonuçları soğrulma şiddetinin ve aynı zaman n-tipi Si üstüne kaplanan film örneklerinin I-V ölçümleri omik olmayan davranış sergilemiştir. p ve n tipi Si üzerine hazırlanan güneş hücrelerinde anlamlı bir verim elde alınmamakla birlikte sadece bir CZTS tabanlı güneş hücresinde çok az da olsa verim elde edilmiştir. Anlamlı bir verimin elde edilememesinin sebebi kaçak devre akımları, hazırlanan filmlerdeki mikro çatlaklar ve soğurucu CZTS katman kalınlığı olarak tespit edilmiştir.