CZTS ince film Güneş Hücresinin Genel Yapısı

Tipik bir CZTS ince film güneş hücresinin genel yapısı şekil 2.17 ile gösterilmektedir. CZTS ince film yapısında, 2 mm kalınlığındaki soda lime camın üzerine, Molibden (Mo) arka kontak, p-tipi CZTS soğurucu tabaka, n-tipi CdS tampon tabaka, yüksek dirençli i-tipi ZnO pencere tabaka, Al katkılı ZnO ya da ITO şeffaf iletken oksit tabaka ve Al grid üst kontak tabaka kullanılmaktadır. Bu tabakaların rolleri aşağıda ifade edilmektedir.

Şekil 2. 17. Tipik CZTS ince film katmanlarının görüntüsü

2.2.3.1. Mo Arka Kontak

Düşük özdirence (125 nΩ.m), yüksek kimyasal kararlılığa, yüksek erime noktasına ve kimyasal sertliğe sahip olan Mo metal, soda lime cam alt tabaka ile soğurucu katman arasında çok iyi yapışma ve düşük kafes uyumsuzluğundan dolayı CZTS güneş hücrelerinde arka kontak olarak kullanılmaktadır. Mo arka kontak, 800 nm kalınlığında ince film formunda üretilmektedir. 4.95 eV iş fonksiyonu ile CZTS ince filmin iş fonksiyonundan (5.5 eV) büyük olmasa dahi yakın bir değerde olması nispeten omik davranış sergileyecek elektriksel özelliktedir. Ayrıca, Mo arka kontak tabaka, CZTS ince filmin tavlaması süresince alt tabaka olarak kullanılan soda lime camdan Na difüzyon için geçiş kapısı olarak rol oynar ve güneş hücresinin performansını arttırılır. Ancak Mo metali, kontak olarak bazı problemlere sahiptir.

Yüksek sulfurüzasyon tavlama sıcaklığında, CZTS ile Mo arasında MoS2 ara tabaka oluşmaktadır (Scragg ve ark., 2012). Bu tabaka, n-tipi bir yarı iletkendir ve yüksek bir dirence sahiptir, bu nedenle taşıyıcı geçişi için bariyer oluşturarak cihazların performansı üzerinde önemli derecede olumsuz bir etkiye sahip olmaktadır. MoS2, ayrıca Mo/CZTS ara yüzeyinde diğer ikincil fazların oluşumunu da teşvik etmektedir (Wang ve ark., 2011; Wätjen ve ark., 2013). Sayısal modelleme, 50 nm kadar ince MoS2 katmanlarının zararlı etkiler göstermesi için yeterli olduğunu göstermiş olup (Chelvanathan ve ark., 2012), 10 nm (Scragg ve ark., 2014) ile 500 nm (Fernandes ve ark., 2011) kalınlığındaki katmanlar deneysel olarak gözlemlenmiştir. MoS2 tabakasının kalınlığını sınırlamak amacı ile, CZTS ile Mo arasına çok ince TiN (Scragg ve ark., 2013), ZnO (Li ve ark., 2014), TiB2 (Liu ve ark., 2014) gibi ara yüzey tabakalar üretilmektedir. Ayrıca, CZTS güneş hücreleri için Mo metale alternatif olarak Alüminyum (Sarswat ve Free, 2013; Vigil-Galán ve ark., 2013), Altın (Sarswat ve Free, 2013; Altamura ve ark., 2014), Nikel (Sarswat ve Free, 2013; Altamura ve ark., 2014), Paladyum (Sarswat ve Free, 2013; Altamura ve ark., 2014), Platin (Altamura ve ark., 2014), Gümüş (Vigil-Galán ve ark., 2013), Titanyum (Vigil-Galán ve ark., 2013) gibi metallerde arka kontak olarak kullanılabilmektedir.

2.2.3.2. Soğurucu Tabaka

Soğurucu tabaka, ışık soğurulumun en çok gerçekleştiği p-tipi iletknelikte bir katmandır. Buna ek olarak, foto uyarımlı yük taşıyıcıların oluştuğu ve deşik yük taşıyıcıların çoğunlukta olduğu bir yarı-iletken tabakadır. Solar spektrumun ilk 450 nm (Dhakal ve ark., 2014) civarında dalga boylarına sahipfotonlar yük taşıyıcıların oluşumuna katkıda bulunmasına rağmen, soğurucu tabakanın optimum kalınlığı 1000 nm olarak belirlenmektedir (Ren ve ark., 2015; Vermang ve ark., 2016).

2.2.3.3. Tampon Tabaka

Güneş hücresinde tampon tabaka olarak kullanılan bu katman, elektron taşıyıcılarının çoğunlukta olduğu n-tipi yarı-iletkendir. Heteroeklem yapıdaki güneş hücrelerinde tampon tabakaların temel görevi, eklem bölgesine ve soğurucu tabakaya maksimum ışık miktarını iletmenin yanında soğurucu tabaka ile bir eklem oluşturmaktır. Ayrıca, bu tabaka minimum oranda soğurma kayıplarına sahip olmalı,

minimum rekambinasyon kayıpları ile foto-oluşumlu taşıyıcıları dışarı sürebilmeli ve bu taşıyıcıları en az elektriksel dirençle dış devreye iletme yeteneğine sahip olmalıdır. Minimal direnç kaybıyla yüksek optik verim için tampon tabakanın bant aralığı yüksek olmalı ve tabaka düşük seri direncini korumak için 50-100 nm aralığındaki incelikte olmalıdır (Simya ve ark., 2015; Arbouz ve ark., 2017). Fakat, bu durumdan farklı olarak üretilen ultra ince CZTS güneş hücrelerinde ışığın soğurucu tabaka üzerinden gönderilmesi durumunda, tampon tabakanın kalınlığı önemsenmemekle birlikte n-tipi yar-ıiletken olması ve CZTS güneş hücrelerinde p-n eklem oluşturulması için yeterlidir. İnce film güneş hücrelerinde genel olarak CdS yapısı tampon tabaka olarak kullanılmaktadır. CdS, CIGS güneş hücreleri için en iyi tampon tabaka olarak kabul edildiği için, doğrudan CZTS güneş hücreleri içinde benimsenmiştir. Güneş hücreleri, CdS ince filmin Chemical Bath deposition (CBD) tekniği ile üretimi sonucunda en iyi performansı göstermektedir. CdS (II-IV) malzemesi, direk band aralığı (2.4 eV), soğurucu tabakaya yüksek foton iletimi ve düşük elektriksel direncinden dolayı güneş hücrelerinde tampon tabaka olarak kullanılmaktadır. İçerisinde S bileşeni bulunan poli- kristal yapıdaki CdS malzemesi, CZTS güneş hücrelerinde en sık kullanılan n-tipi tampon tabakadır. Aktif tabakaya yüksek oranda foton iletimi için, nispeten yüksek şeffaf yapıda olmalıdır ve çok kalın olmamalıdır. Ancak, CdS, 510 nm soğurma sınırına sahiptir ve dolayısıyla mavi bölgedeki ışığın bir kısmı CdS tabakasında soğurulur. Burada soğurulan fotonlar, optik kayıp olarak nitelendirilir ve seri dirence sebep olur.

CdS yapısının kafes sabiti CZTS yapısının kafes yapısındana yakındır, dolayısıyla iki tabaka arasındaki arayüz daha düşük kusur yoğunluğuna sahip olacaktır. Soğurucu ve tampon tabaka arasında yüksek nitelikteki kristallografik hetero ara yüzeyin oluşması, ara yüzeydeki band aralığı içindeki düşük kusur durumundan dolayı, ara yüzey yeniden birleşme hızını azaltmaktadır (Sp ve Sn). Bir ara yüzün kusur yoğunluğunu belirleyen birçok faktör olmasına rağmen, ara yüz malzemelzemeleri arasındaki yakın kafes eşleşmesinin kusur yoğunluğunu büyük ölçüde azaltması beklenmektedir. CdS ve CIGS arasındaki kafes uyuşmazlığı (optimal Ga/(In+Ga) =0.3 ile), %1.5 oranındadır. Bu değer makul ölçüde düşüktür ve epitaksiyal bir ara yüzün oluşturulmasına izin verir. Ancak, CdS/CZTS sisteminde ise kafes uyuşmazlığı %7

oranındadır ve bu yüksek değer ara yüzeydeki band aralığı içinde kusur yoğunluğunun arttığını göstermektedir.

CdS malzemesi yüksek toksitiye sahip Cd elementi içermektedir. Ayrıca, Cd atomik iyonların CZTS içerisine difusyon etmesi ile CZTS içerisindeki Cu boşlukları Cd atomu ile doldurulur ve donor özelliğine sahip CdCu antisit kusurları oluşabilir. CdCu antisit kusurlar, soğurucu tabakanın ara yüzeyine yakın bölgesinde n-tipi katkılama oluşturur. Bu bağlamda CdS çok ideal bir n-tipi tampon tabaka olarak görülmeyebilir.

2.2.3.4. Pencere Tabaka

Pencere katmanı, genellikle tampon ile şeffaf iletken oksit katman arasına yerleştirilen, oldukça ince, yüksek dirençli ve şeffaf bir katmandır. Bu tabakanın amacı, tampon tabaka içinde oluşan pin hollerin etkisini azaltmaktır. Aksi takdirde, soğurucu tabaka ile üst kontak arasında bağlantı yolları sağlanabilir ve bu durum kısa devreye yol açabilir. Yüksek bir Voc değeri sağlamak için çok ince kalınlıkta büyütülen tampon tabaka, üst kontağın üretimi sırasında zarar görebilmektedir. Ayrıca, bu tampon tabakanın inceliğinden ve soğurucu tabakanın pürüzlülüğünden dolayı, aktif tabaka ya da arka kontak ile üst kontak birbirleri ile temas edebilmekte ve bu durum da güneş hücresinde kısa devre oluşturabilmektedir. Tüm bu olumsuzlukların üstesinden gelmek için, tampon tabaka ile üst kontak arasında yüksek dirençli ZnO (i-ZnO) ince film üretilmektedir. Gelen fotonların büyük bir bölümünün iletilmesi için, ZnO ince filmin kalınlığı 50-100 nm aralığındadır ve bu katman güneş hücrelerinde çok yaygın kullanılmaktadır (Obahiagbon ve ark., 2015).

2.2.3.5. Şeffaf İletken Tabaka

Şeffaf iletken tabaka genel olarak, şeffaf iletken oksit (TCO) tabakadan oluşmaktadır. Yük taşıyıcılarını toplamada ve bunları toplayıcı grid’e transfer etmede rol oynamaktadır. Optimal kalınlığı 120 nm civarındadır. ITO ve Al:ZnO tabakaları, yüksek foton iletimine (Güneş spektrumunun 400-1000 nm dalga boyu aralığında %90 foton iletimi göstermektedir) ve düşük dirence (<20 nΩ.m) sahip oldukları için güneş hücrelerinde yaygın olarak kullanılan şeffaf iletken tabakalardır (Todorov ve Mitzi, 2010).

2.2.3.6. Ön Kontak

Ön kontak olarak ızgara şeklinde Al metal kullanılmaktadır. Izgaranın her bir parmağı birkaç µm kalınlığında ve genişliğindedir. Izgaranın boyutu, şeffaf iletken tabakadan mümkün olduğunca yük toplamak ve düşük değerde hücre alanını kaplamak için dengeli olmalıdır.