ITO/ZnO2/a-CZTS/Al Diyot Yapısının Elektriksel Özellikleri

Şekil 4.9‘da, ITO/ZnO2/a-CZTS/Al diyot yapısının karanlık ortamdaki J-V karakteristiği, logaritmik J-V karakteristiği ve yarı logaritmik ileri bias grafiği verilmektedir. Şekil 4.9b‘deki logaritmik grafiğin ileri bias bölgesine göre, diyot yapısı, negatif diferansiyel direnç (NDR) gösteren bir tünelleyen diyot davranışı sergilemektedir. ITO/ZnO2/a-CZTS/Al diyotun NDR değeri ve tünelleyen diyot özelliği (https://www.electronicshub.org/tunnel-diode-working-characteristics- applications/; https://www.physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and- circuits/semiconductor-diodes/tunneldiode-howitworks.html), ZnO2 ince film içerisindeki kusurlara dayandırılmaktadır. Şöyle ki; ZnO2 ince film ITO tabaka üzerine üretilirken 7×10-2 _{mbar‘lık düşük oksijen gaz basıncı içerisinde üretilmiştir. Dolayısıyla,} ZnO2 ince filmin içerisinde Zn interstitial ya da oksijen boşlukları gibi kusur yapıların oluşma olasılığı yüksektir. Bu kusur durumları, elektron yük tuzaklama bölgesi olarak

rol oynar. Bu kusur bölgelerin sayısındaki artış, ZnO2 ince filmin negatif olarak yüklenmesini sağlar (Chuang ve ark., 2014; Roy ve ark., 2014; Fang ve ark., 2017). Böylece, ZnO2 ince filmin yük taşıyıcı konsantrasyonundaki artış, ZnO ince filmin ağır dopingli olmasına neden olur. Ek olarak, Şekil 4.3‘deki XRD spektrumunda ifade edildiği gibi, ZnO2 ince film ZnO1’e kıyasla (002) yöneliminde belirgin bir kristallenme yapmıştır. Bu durum, deplasyon bölgesinin dopinglenmesine ve ITO/ZnO2/a-CZTS/Al yapısının tünelleyen diyot yapısına ulaşmasına sebep olmaktadır.

Şekil 4. 9. ITO/ZnO2/a-CZTS/Al diyot yapısının karanlık ortamdaki a) J-V karakteristiği, b) logaritmik

n-ZnO ve p-CZTS arasındaki bant aralığı hizalanması, uyumsuz bir deplasyon bölgesi oluştururlar (Li ve ark., 2013). a-CZTS ve ZnO2 arasında bant aralığı hizalanması kurulduğunda, Şekil 4.9c’de gösterilen I. bölgede cihaza uygulanan 0.05 V değerinde bir voltaj deplasyon bölgesinde kurulan voltajdan küçük olduğu için, ZnO2 ince filmin iletim bandındaki elektronlar bu kurulmuş voltajı aşamazlar. Bu şartlarda, elektronların düşük bir miktarı, ZnO2 ince filmin iletim bandından a-CZTS ince filmin valans bandına tunellenirler ve 6.32×10-2 _mA/cm2 _{değerinde ileri bias akım yoğunluğu} oluştururlar (Zeng ve ark., 2018). II. Bölgede diyoda uygulanan voltaj 0.25 V değerine arttırıldığında, a-CZTS ince filmin valans bandına geçiş yapan elektronların sayısı daha da artarak ileri bias akımın yoğunluğunun artış göstermesine sebep olur ve maksimum akım yoğunluğu 1.81 mA/cm2 _{değerine ulaşır. III. Bölgede voltaj 0.5 V (kritik voltaj} bölgesi) değerine artırıldığında, ZnO2 ince filmin iletim bandı ve a-CZTS ince filmin valans bandı arasında hizalanma farkı oluştuğu için, ITO/ZnO2/a-CZTS/Al diyot yapısı, ileri biasın III. Bölgesinde negatif direnç bölgesini gösterir (https://www.electronicshub.org/tunnel-diode-working-characteristics-applications/; https://www.physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and-

circuits/semiconductor-diodes/tunneldiode-howitworks.html; Schmid ve ark., 2012; W. F. Mohammed, 2012; Rathi ve ark., 2018). ZnO2 içindeki kusurlarda tuzaklanmış elektronlar, tünelleme bölgesinde negatif yük yoğunluğuna sebep olurlar ve tünelleyen elektronlara zıt şekilde arayüzey bariyer oluştururlar. Böylece, diyot yüksek direnç bölgesinde NDR davranışı sergiler ve bu bölgede akım yoğunluğu azalır. Bantlar arası tutarsız bir hizalanma meydana gelse de, bantlar hala birbirleri ile örtüştüğü için ZnO2 yapısının iletim bandındaki birkaç elektron a-CZTS yapısının valans bandına tüneller (Chen ve ark., 2009; Roy ve ark., 2014). IV. bölgede voltaj daha da arttırıldığında akım yoğunluğu artış gösterir. Bu aşamada (IV.bölgede), ITO/ZnO2/a-CZTS/Al yapısı normal p-n eklem diyot gibi davranır. Bu bölgede uygulanan voltaj, deplasyon bölgesinde kurulan voltajdan daha büyük olduğu için, ileri akım kademeli olarak artış gösterir (https://www.physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and- circuits/semiconductor-diodes/tunneldiode-howitworks.html) .

Şekil 4. 10. Aydınlık ortamda ( 80mW/cm2 _{gücündeki AM 1.5 solar radyasyon altında) ITO/ZnO2/a-}

CZTS/Al diyotun J-V grafiği

Şekil 4.10‘da, aydınlık şartlar altında ITO/ZnO2/a-CZTS/Al diyot yapısının J-V karakteristiği verilmiştir. Bu J-V karakteristiğine göre, diyot fotovoltaik elektrik özellik göstermiştir. Diyotun elektriksel parametreleri Tablo 4.2‘de verilmektedir.

Tablo 4. 2. ITO/ZnO2/a-CZTS/Al diyot yapısının elektriksel parametreleri

Jsc Voc FF η

0.051 mA/cm2 600 mV 0.64 %0.02

a-CZTS ince filmin üretiminde yüksek alt tabaka ve tavlama sıcaklığı kullanılmadığı için, a-CZTS ince filmde çatlakların oluşmama olasılığı çok yüksektir ve a-CZTS ve ZnO2 ince filmlerin birbiri içerisine giriş yapması çok sınırlıdır. Ayrıca, tampon tabaka olarak ZnO2 ince filmin kalınlığı oldukça yüksek ölçülmüştür. Buna rağmen, ZnO2 ince filmin kalınlığı artarken, ince filmin içindeki boşlukların sayısı azalır ve film sürekli yapıya dönüşür. ZnO2 ince film içinde daha iyi kristallenme meydana gelir. ITO tabakası, üzerine gelen çoğu fotonu ilettiği ve kendi üzerinde yük toplanmasını sağladığı için, güneş hücrelerinde elektrot yapı olarak kullanılırlar. Ek olarak, a-CZTS ince film amorf yapıda olmasına rağmen, a-CZTS ince film içinde düşük sayıda olsa da yük taşıyıcıları oluşmuş ve deplasyon bölgesinin kenarlarında yük toplanabilmiştir (Shi ve Jayatissa, 2017). Tüm bu faktörler, ITO/ZnO2/a-CZTS/Al diyot yapısının fotovoltaik özellik göstermesine olanak sağlamıştır.

Diyotun Jsc değeri 0.051 mA/cm2 olarak belirlenmiş ve bu akım yoğunluğu oldukça düşüktür. Jsc değerinin düşük olması, a-CZTS ince filme bağlı birkaç sebebe dayandırılmaktadır. Bunlar; a-CZTS ince filmin kalınlığının düşük olması, aktif tabaka tarafından soğurulan foton miktarının düşük olduğu anlamına gelmektedir. Böylece, foto-uyarımlı yük taşıyıcıların sayısı da azdır ve SCR bölgesinde yük toplanması düşük

kalmaktadır. Bu durum, Jsc değerinin düşük olmasına sebep olur. Aynı zamanda, a- CZTS ince filmin bant aralığının üstündeki enerji ile gelen fotonlar, aktif tabaka içinde yük taşıyıcılarını uyarabilmektedir. Ancak, a-CZTS ince filmin bant aralığının altındaki enerji bölgesinde bir enerji ile gelen fotonlar, soğurucu tabaka tarafından soğurulamaz (Polman ve Atwater, 2012). Aktif tabakanın bant aralığı büyük olduğu için (1.80 eV), aktif tabaka içinde uyarılan elektronların sayısı düşük kalır ve dolayısıyla, akım yoğunluğu sınırlı kalır (https://www.pveducation.org/index.php). a-CZTS ince film içindeki arayüzey durumları ve tanecik sınırları içindeki kusurlar, yeniden birleşme merkezi olarak rol oynamaktadırlar. Dolayısıyla, a-CZTS ince film içinde foto- uyarımla oluşan azınlık yük taşıyıcıların sayısı oldukça azdır (Shi ve Jayatissa, 2017) ve bu tuzak merkezlerinin içinde hemen yok olurlar. Böylece, a-CZTS ince filmin amorf yapısı seri direnci arttırır ve Jsc değerinin düşük kalmasına sebep olur (Kurokawa ve ark., 2012; Shi ve Jayatissa, 2017). Aynı zamanda, a-CZTS ince film küçük tanecik boyutundan oluştuğu için tanecik sınır sayıları yüksektir. Azınlık yük taşıyıcıları, bu tanecik sınırları içerisindeki tuzaklarda yeniden birleşirler ve bu durum düşük Jsc değerine yol açar.

ZnO2 ince film büyük parçacıklardan oluştuğu ve film kalınlığı 200 nm olduğu için, ZnO2 ince film görünür bölgede (560 nm dalga boyunda), NIR ve IR bölge aralığında belirli bir miktar foton soğurmaktadır (Şekil 4.6a). Bu bölgelerde soğurulan fotonların a-CZTS ince filme iletilmesi sınırlanır ve böylece, a-CZTS ince film tarafından yeterli oranda foton soğurulamadığı için foto akım oluşumu ve Jsc değeri düşük kalır. Aynı zamanda ZnO2 ince film için pinhollerin oluşma olasılığı vardır ve bu durum diyot içinde shunt yollarını ve sızıntı akımını meydana getirerek, shunt direncini arttırır, Jsc değerini düşürür.

ITO/ZnO2/a-CZTS/Al diyotunun Voc parametresi 600 mV, FF ise 0.64 değerlerine sahiptirler. Jsc değeri düşük olmasına rağmen bu değerler oldukça yüksektir. a-CZTS ince filmin 1.80 eV gibi yüksek bant aralığına sahip olması nedeni ile yüksek Voc değerine sebep olur (https://www.pveducation.org/index.php). Şöyle ki, bant aralığı n ve p tiplerinin yarı fermi seviyeleri arasındaki ayrımla ve deplasyon bölgesinde kurulan voltaj ile orantılıdır ve Voc değerinin yüksek olmasını sağlar (Polman ve Atwater, 2012; Qi ve Wang, 2012; Polizzotti ve ark., 2013; Tayagaki ve ark., 2013; Yan ve ark., 2015; Bourdais ve ark., 2016). Literatürdeki çalışmalara göre (Peng ve

ark., 2014; Zhao ve ark., 2014; Hofstetter ve ark., 2016), Jsc değeri azalırken Voc ve FF değerlerindeki artış; deplasyon bölgesindeki doping yoğunluğuna dayandırılmaktadır. ZnO2 ince filmden deplasyon bölgesindeki yüksek doping oranı ile yüksek yoğunluğu deplasyon bölgesinin genişliğini daraltır (https://www.physics-and-radio- electronics.com/electronic-devices-and-circuits/semiconductor-diodes/tunneldiode- howitworks.html). p-CZTS/n-ZnO deplasyon bölgesindeki daralma aynı zamanda düşük Jsc değerine de yol açmaktadır (Zhu ve ark., 2014; Li ve ark., 2016; Silvi ve Chowdhury, 2016; Li ve ark., 2017; Yang ve ark., 2017; Zhang ve Jung, 2018). ITO/ZnO2/a-CZTS/Al diyot yapısı karanlık artmada tünelleyen diyot özelliği göstermektedir ve tünelleyen diyot çok dar deplasyon bölgesine sahiptir (https://www.physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and-

circuits/semiconductor-diodes/tunneldiode-howitworks.html). Sonuç olarak, dar deplasyon bölgesi yüksek Voc ve düşük Jsc değerine sebep olur (Zhao ve ark., 2014; Tajima ve ark., 2015). ZnO2 ince film ise, bir tampon tabaka olarak 3.37 eV gibi geniş bir bant aralığına sahip olduğu için deplasyon bölgesinde yüksek potansiyel kurulumuna sebep olur ve Voc değerini arttırır (Htay ve ark., 2011).