SONUÇ VE ÖNERİLER

Bu tez çalışmasında III-V gurubu tek ve iki eklemli güneş hücre yapılarının analitik güneş hücre modeline göre tasarımları yapıldı. Modellenen güneş hücrelerinin performans değerlerinin iyileştirilmesi için gereken optimize şartları belirlenerek, elektriksel parametreleri olan kısa devre akım yoğunluğu (JSC), açık devre voltajı (Voc), dolum faktörü (FF) ve tüketim verimi (η) hesaplandı.

Tek eklemli GaAs ve iki eklemli GaInP/GaAs güneş hücreleri karasal uygulamalarda kullanılmak (AM1.5G) için tasarımları yapıldı. Tek eklemli GaAs güneş hücresinin teorik verimi %19,92 hesaplandı. İki eklemli GaInP/GaAs güneş hücresinin teorik verimi % 25,62 olarak bulundu. Bu tez çalışması için geliştirilen tek eklemli GaAs ve iki eklemli GaInP/GaAs güneş hücrelerinin büyütme esnasında, güneş hücre tasarımlarında belirlenen optimizasyon şartları göz öne alındı. Güneş hücrelerinin tasarım süreci, büyütme esansında kaybedilen zaman ve maliyetin en aza indirgenmesine katkı sağladı.

İki eklemli Ga1-yInyP/Ga1-xInxAs güneş hücreleri In içeriklerine göre, karasal (AM1.5G) ve uzay uygulamaları (AM0) için tasarlandı. Güneş hücrelerindeki In içeriği arttıkça, kısa devre akım yoğunluğunun arttığı, açık devre voltajının da azaldığı görüldü. Buna bağlı olarak da güneş hücrelerinin veriminin azaldığı görüldü. Verimdeki bu azalış açık devre voltajına bağlı olduğundan, verim değerinin açık devre voltajı ile kontrol edildiğini gösterir. Güneş hücreleri pek çok alanda kullanılmasından dolayı sıcaklığın performans değerleri üzerindeki etkisi incelendi. Güneş hücrelerinin sıcaklığı artıkça, kısa devre akım yoğunluğunun arttığı, açık devre voltajının da azaldığı görüldü. Voltaj değerindeki azalış, akım yoğunluğunun artışından daha büyük olduğundan verim değeri azalış gösterdi. Tasarlanan iki eklemli Ga1-yInyP/Ga1-xInxAs güneş hücrelerinin amacı, monolotik güneş hücre yapılarının GaAs alttaş ile örgü ve akım uyumlu epitaksiyel büyütülmelerine yol göstermektir. GaAs alttaş üzerine büyütülen güneş hücreleri epitaksiyel kaldırma tekniği ile düşük maliyetli esnek alttaş üzerine yapıştırılabilir. Böylece elde edilen güneş hücreleri hafif ve yüksek verime sahip olduklarından uzay ve hava araçlarında kullanılmaları beklenilmektedir.

Bu tez çalışmasında tasarımı yapılan tek eklemli GaAs ve iki eklemli GaInP/GaAs güneş hücre yapıları, MBE tekniği ile büyütüldü. Güneş hücre yapılarının yapısal analizi HR-XRD desenleri ile optik analizi ise PL spektrumu ile yapıldı. Fotolitografi ve termal buharlaştırma sistemi ile güneş hücrelerinin fabrikasyonları gerçekleştirildi. Güneş hücrelerinin I-V ölçüm sisteminde elektriksel ölçümleri yapıldı. Bu tezin temel amacı güneş hücrelerinin verimini artırmaktır. Bu doğrultuda ilk olarak iki eklemli GaInP/GaAs güneş hücresine farklı fabrikasyonlar uygulanarak verimlerindeki değişimler gözlemlendi. İkinci olarak güneş hücrelerine yansıma önleyici kaplama yapılarak verim değerine etkisi incelendi.

Geliştirilen güneş hücre yapılarının HR-XRD ölçümlerinden elde edilen ω-2θ taramasından kaliteli bir yapı elde edildiği belirlendi. Elde edilen veriler kullanılarak hücrelerin x alaşım oranları ve buna bağlı yasak enerji aralıkları hesaplandı. Geliştirilen güneş hücrelerin PL spektrumundan yasak enerji aralıkları ve buna bağlı olarak da x alaşım oranları hesaplandı. Tek eklemli güneş hücresinin pencere tabakasındaki AlGaAs ve iki eklemli güneş hücresinin üst hücresindeki GaInP yarıiletken malzemeleri için bulunan x alaşım oranlarının ve yasak enerji aralıklarının HR-XRD ve PL ölçümlerinin birbiri ile uyumlu olduğu gözlemlendi.

Güneş hücrelerinden 1x1 cm2’lik parçalar kesildi. A1 numunesi olarak adlandırılan tek eklemli GaAs güneş hücresinin ön ve arka kontağına Au metali kaplandı. İki eklemli GaInP/GaAs güneş hücresinden iki parça alınarak B1 ve B2 olarak adlandırıldı. B1 numunesinin ön ve arka kontağına Au metali kaplandı. B2 numunesinin ön kontağına Au/Ti ve arka kontağına ise AuZn alaşımı kaplandı. Bu numunelerin I-V ölçüm sisteminden verim değerleri elde edildikten sonra numunelere yansıma önleyici (AR) kaplama yapılarak tekrar I-V ölçümleri alındı.

Tek eklemli GaAs güneş hücresinin verim değeri %12,11 olarak elde edildi. B1 numunesinin verim değeri %14,65, B2 numunesinin verim değeri ise % 15,26 olarak elde edildi. İki eklemli GaInP/GaAs güneş hücresine uygulanan farklı metalizasyon malzemesi %4,16’lık verim artışına neden oldu. B2 numunesinin fabrikasyonunda kullanılan Ti metalinin, Au metalinin yüzeye daha iyi tutulmasının yanında omik kontak oluşumu sürecinde hücre katmanına metal difüzyonunu önlemesi ve bu sayede seri direnç etkisinin azalmasına katkı sağladığı değerlendirilmektedir. Böylece güneş hücresinde foto-akım kayıplarını azaltarak

verim değerinin artmasına neden olmaktadır. B1 ve B2 numunelerine AR kaplama olarak Al2O3/TiO2 uygulandığında, verim değerleri sırasıyla %15,72 ve %16,90 olarak elde edildi. Yansıma önleyici kaplama yapıldıktan sonra B1 ve B2 numunelerinin verim değerlerinde sırasıyla, %7,30 ve %10,74’lük bir artış olduğu görüldü. Güneş hücresi yüzeyinin metal kontaklar arasına kaplanan AR kaplama, güneş ışığından daha fazla foton soğurulmasına neden olduğundan, güneş hücrelerinin verim değerlerini artırdı.

Tek eklemli GaAs ve iki eklemli GaInP/GaAs güneş hücrelerinin teorik hesaplarının öngördüğü değerlerden düşük çıkmasının birçok nedenden kaynaklandığı düşünülmektedir. Bu nedenler güneş enerjisinin bir kısmının ısı enerjisine dönüşmesi, yarıiletken yasak enerji aralığından küçük enerjili fotonların elektron-deşik çiftine katkıda bulunamaması, üretilen elektron-deşik çiftlerinin küçük bir kısmının rekombinasyona uğramasından dolayı foto-üretime katkıda bulunamamasıdır. Büyütülen kristaldeki kusur seviyelerinin yük taşıyıcılarını tuzaklaması ve metalizasyon kaynaklı seri direnç artışından kaynaklanabileceği değerlendirilmektedir. Bununla birlikte yapılan yapısal karakterizasyonlar üretilen epi-katmaların kristal kalitesinin yüksek olduğunu göstermektedir. Bu durum dikkate alındığında, hücre verimini olumsuz etkileyen en önemli taşıyıcı tuzaklanmasının, kullanılan alttaşlardaki kusurluluktan kaynaklandığı düşünülmektedir.

Kalkınma Bakanlığı tarafından 2011K120290 ve 2016K121220 nolu projeler ile desteklenen ve Gazi Üniversitesi Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezi bünyesinde bulunan cihazlar kullanılarak günümüz teknolojisi açısından önemli olan, bu tez kapsamındaki tek ve iki eklemli GaInP/GaAs güneş hücre yapılarının tasarımı, büyütülmesi, karakterizasyonları ve hücre fabrikasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Güneş hücre fabrikasyonları tamamlanan güneş hücrelerinden elde ettiğimiz sonuçlar değerlendirildiğinde, tek ve iki eklemli güneş hücrelerinin üretimlerinin başarılı olarak gerçekleştirildiği görülmektedir. Bu tez çalışmasında geliştirilen iki eklemli GaInP/GaAs güneş hücrelerinin geliştirilerek konsantre fotovoltaik ve uzay uygulamaları teknolojilerinde kullanılması beklenilmektedir. İleriki çalışmalarda, iki eklemli GaInP/GaAs güneş hücre yapılarının geliştirilerek verimlilik değerlerinin artırılmasına yönelik çalışmalara devam edilmesi hedeflenmektedir.