Fotovoltaik uygulamalar için CZTS tabakaların ultrasonik sprey piroliz yöntemi ile büyütülmesi ve optimizasyonu

Abstract

CZTS ince filmlerinin fotovoltaik aygıt performansını iyileştirmek için kristal yapısının, olası ikincil faz oluşumunun, kusurların ve Cu/Zn katyon düzensizliği etkilerinin daha iyi anlaşılması gerekir. Bu doğrultuda, stokiyometrik olmayan (Cu-fakir ve Zn-Zengin) bir püskürtme çözeltisi farklı alttaş sıcaklıklarında (350 °C, 400 °C, 450 °C ve 500 °C) cam alttaşlar üzerine püskürtülerek kesterit CZTS ince filmleri elde edilmiştir. Sonrasında ise elde edilen CZTS ince filmlerinin opto-elektriksel özelliklerinin yanı sıra ikincil fazlar ve Cu/Zn katyon düzensizliği gibi yapısal homojensizlikler üzerine alttaş sıcaklığının etkisi deneysel olarak incelenmiştir. XRD ve Raman spektroskopisi analizleri ile çöktürülen ince filmlerin yapısal özellikleri araştırıldı. Raman spektrumlarına uygulanan Lorentzyen ters evrişimi ile 14 Raman titreşim modu tespit edildi. Ayrıca, bu modlara ait fazlardan CZTS'nin düzenli-kesterit fazı ile düzensiz-kesterit fazının birlikte kristalleştiği tespit edildi. XPS analizleri ile CZTS bileşiğini oluşturan elementlerin oksidasyon durumları belirlendi. EDS verileri stokiyometri-dışı model çerçevesinde değerlendirilerek baskın nokta kusurları tartışıldı. SEM ve AFM görüntüleri ile ince filmlere ait yüzey morfolojileri araştırıldı. Optik analizler çerçevesinde, bant aralıkları ve Urbach enerjilerinin alttaş sıcaklığındaki artışla düştüğü görüldü. Elektriksel analizler neticesinde tüm filmlerin p-tipi elektriksel iletkenliğe sahip olduğu ve elektriksel özdirenç değerlerinin 2.93x101-8.01x101 cm aralığında değiştiği tespit edildi. Bu tez çalışması, yüksek verimlilikli fotovoltaik uygulamalar için CZTS ince filmlerin fiziksel özelliklerinin alttaş sıcaklığına bağlı değişiminin yeni bir detaylı tartışmasını sunmaktadır.

To improve the photovoltaic device performance of CZTS thin films, a better understanding of the crystal structure, possible secondary phase formation, defects, and Cu/Zn cation disorder effects is required. Accordingly, a non-stoichiometric (Cu-poor and Zn-rich) precursor solution was sprayed onto glass substrates at different substrate temperatures (350 °C, 400 °C, 450 °C, and 500 °C) to produce kesterite CZTS thin films. Afterward, the effect of substrate temperature on structural inhomogeneities such as secondary phases and Cu/Zn cation disorder as well as optic and electrical properties of the obtained CZTS thin films were investigated, experimentally. The structural properties of all deposited thin films were investigated by XRD and Raman spectroscopy analyzes. By applying Lorentzian deconvolution applied to the Raman spectra, 14 Raman vibrational modes were detected. In addition, it was determined that the ordered-kesterite phase of CZTS and the disordered-kesterite phase co-crystallized from the phases related to these modes. The oxidation states of the elements that make up the CZTS compounds were determined by XPS analysis. The dominant point defects were discussed based on EDS data within the framework of the non-stoichiometric model. Surface morphologies of thin films were investigated by SEM and AFM images. In the framework of the optical analysis, it was determined that the band gaps and Urbach energies decreased with the increase in the substrate temperature. As a result of the electrical analyzes, it was determined that all the films have p-type electrical conductivity and that their electrical resistivity values varied between 2.93x101 cm and 8.01x101 cm. This thesis work provides a new detailed discussion on the temperature-dependent variations in the physical properties of CZTS thin films for high efficiency photovoltaic applications.