a-SiOx:H ve kristal silisyumdan (c-Si) oluşan a-SiOx:H/c-Si heteroeklem güneş pillerinin fabrikasyonunu ve karakterizasyonu

Abstract

Silisyum tabanlı fotovoltaik teknolojileri arasında a-Si:H/c-Si heteroeklemler yüksek verim elde edilebilme potansiyelleri ve daha düşük üretim maliyetleri nedeniyle gittikçe önem kazanmaktadır. Heteroeklem güneş pilleri düşük üretim sıcaklıkları (200C civarı), geniş yüzeylere ince film tabakalarının büyütülebilmesi nedeniyle uygun maliyet, daha iyi sıcaklık katsayıları ve iyi yüzey pasivasyonu için daha ince silisyum alttabanlar kullanıldığından daha düşük silisyum tüketimi nedeniyle yaygın olan homoeklem teknolojilerine göre avantajlara sahiptir. Bu tez çalışmasının devam ettiği sırada (2013), Japon firması Panasonic, endüstriyel üretim şartlarında 101.8 cm2 yüzey alanlı % 24.7 verimli bir güneş pili üreterek geniş alanlı heteroeklem aygıtlarda yüksek verimler elde edilebilineceğini göstermiştir. Bununla beraber bu tür yapıların tüm potansiyelleri henüz tam olarak anlaşılamamış ve bir kaç grup tarafından geniş çaplı araştırmalar yürütülmektedir. Bu tez çalışmasında, c-Si alttaban yüzeyinin farklı temizlik proseslerinin katkılı ve katkısız a-SiOX:H alaşımlarının ara yüzey kusurlarının pasivasyonuna etkisi güneş pilinin elektriksel ve elektrooptiksel özellikleri incelenerek anlaşılmasına odaklanılmıştır. Kristal silisyum (c-Si) alttaban yüzeyinin pasivasyonu ve ara yüzey kusurlarının azaltılması, yüksek verimli a-Si:H/c-Si heteroeklem güneş pillerinin -yaygın ismi ile silisyum heteroeklemlerin- gelişiminde temel gereksinimlerdir. Yüzey pasivasyonu, genel olarak silisyum alttaban temizlik süreçlerinin detaylı bir şekilde geliştirilmesi ve katkısız hidrojenlendirilmiş amorf silisyum tabakanın büyütülmesi için gerekli olan PECVD parametrelerinin belirlenmesi ile sağlanır. Bununla beraber (i) tabakasının yüksek sıcaklıkta (>130C) oluşturulması c-Si üzerinde güneş pilinin performansının ciddi olarak düşmesine neden olan bir epitaksiyel tabaka oluşmasına neden olur. Bu epitaksiyel büyüme (i) a-Si:H tabakası büyümesi poresisini kısıtlar ve güneş pili optimizasyonunu daha zor kılar. Katkılı ve katkısız a-SiOx:H tabakalarının en büyük avantajı c-Si alttabanlar üzerindeki epi-Si büyümesinin a-SiOx:H (i) tabakası ile bastırılmasıdır. Özellikle a-SiOx:H i tabakası epi-Si tabakaları oluşturmadan PECVD koşullarını özgürce değiştirmemize imkân verir. a-SiOx:H i tabakasının uygulanması, a-Si:H (i) tabakalarının optimum biriktirme şartlarının a-Si:H/epi-Si faz sınırlarında bulunması nedeniyle güneş pili üretiminin tekrarlanabilirliğini iyileştirir Maksimum fotovoltaik aygıt performansı için geçmişte daha geniş bant aralıklı yaygıç özelliğine sahip yapılar önerilmiştir. a-Si:H/c-Si güneş pillerinde Jsc kısa devre akımını geliştirmek için a-Si:H'den daha geniş bir bant aralığına sahip a-Si:H tabanlı bir alaşım kullanmak tercih edilir. Tez çalışması, metal /(n) (p) a-Si:H/(i) a-Si:H/(p) (n) c-Si/(i) a-Si:H/n+ a-Si:H HIT türü güneş pili yapısında n() (p) a-SiOx:H/(i) a-SiOx:H/(p) c-Si tabakalarında güneş pili üretimini hedeflemektedir. Bu hedef doğrultusunda, ilk önce farklı film büyütme koşulları denenmiş, güneş pil parametreleri ile en uygun büyütme koşullarının parametreleri belirlenmiş ve bu koşullar kullanılarak güneş pilleri üretilmiştir. Bu açıdan irdelendiğinde a-Si:H filmleri tampon tabak olarak kullanıldığı film koşulları tespit edilmiştir. Corning cam ve kuartz alttabanlar üzerine büyütülen filmler spektroskopik Elipsometre (SE), FTIR gibi yapısal özellikleri incelendikten sonra bu katkısız (özden) a_Si:H filmler p-türü katkılı c-Si alttabanlar üzerinde büyütülmüştür. Ayrıca c-Si alttaban temizliği için plazma ve kimyasal temizlik yöntemleri de bu çalışmada karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Daha sonra aygıt yapımına uygun katkısız a-Si:H filmler için alttaban sıcaklığı, PECVD parametreleri (RF gücü, basınç, SiH4 gaz akışı) fotoiletkenlik/karanlık iletkenlik ve dielektrik sabiti takip edilerek incelenmiştir. a-Si:H filmlerin homojenliği ve yüzey pürüzlülüğü ise SEM ve AFM teknikleri ile incelenmiştir. Daha sonra bu koşullarda filmler c-Si üzerine büyütülerek a-Si:H/c-Sİ heteroeklemleri elde edilmiştir. Açık devre gerilimleri takibiyle hem katkısız a-Si:H filmleri yüzey pasivasyon başarısı, hem de direnci azaltmak amacıyla büyütülen katkılı (n-tipi) a-Si:H için optimum katkılama oranı 5x103 ppm ve 5x104 ppm olarak tespit edilmiştir. [60] 5x103 ppm'de büyütülen Al/(n) a-Si:H/i a-Si:H/p c-Si/Al yapısındaki güneş pili üzerinden ölçülen aydınlık koşullardaki I-V karakteristiği sonucu % 4.6 verim 72 cm2 aktif alan üzerinden belirlenmiştir. Bu değer, ölçülen en yüksek alandaki verim değeridir. Ancak verim değeri oldukça düşüktür. Elektrolüminesans ölçümlerinde katkısız tabakanın yüzeyi etkin bir şekilde pasive edilemediği ve kısmen epitaksiyel olarak büyüdüğü ve bu nedenle c-Si yüzeyinin kötü pasive olduğu anlaşılmıştır. Bu nedenle, daha önce 200C civarındaki en uygun alttaban sıcaklığı yerine daha düşük sıcaklıklarda ve de hidrojen seyreltmesi yapılarak bir seri güneş pili üretilmiştir. Birinci grup 190C ve daha yüksek alttaban sıcaklıklarındayken bir diğer grup 190C 'den daha düşük sıcaklıklarda hazırlanan güneş pillerinden oluşmaktadır. Katkılı tabaka ise 190C ve 225C de sabit sıcaklıklarda büyütülmüştür. Sonuçlara göre katkılı tabaka için 190C seçildiğinde, katkısız tabakanın en ideal sıcaklık aralığı 190C - 210C aralığındayken, 225C olduğunda 150C olduğu tespit edilmiştir. Ne var ki, verim değerleri bir seri içinde %4,5 değerini geçememektedir. Bu pillerde tavlama suretiyle verim değerlerinde biraz iyileşme görülse de hala potansiyel değerinden oldukça uzakta olduğu anlaşılmaktadır. Bu iyileşmenin de nedeni kısa devre akımı ile açık devre gerilimindeki artıştan ötürüdür. c-Si yüzey pasivasyonu, katkısız a-Si:H filmler kullanılarak istenilen düzeyde verimlerde güneş pillerinin üretilemeyeceği anlaşıldığından, katkısız a-Si:H film yerine silisyum alt oksit (a-SiOX:H) filmler kullanılmak suretiyle bu hedef gerçekleştirilmeye çalışılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, ilk önce literatür desteğiyle birlikte var olan sistem ile [SiH4]:[CO2]:[H2] sccm koşullarında CO2 miktarı 1-10 sccm aralığında değiştirilmiştir. Üretilen a-SiOX:H filmler SE yöntemiyle dielektrik sabiti göz önüne alınarak incelenmiştir. Ayrıca a-SiOX:H tampon tabaka kullanılarak ve H2 seyreltmesi de yapılarak üretilen bir dizi güneş pilinin değişimi takip edilmiştir. İlk denemelerde elde edilen performans testleri daha da kötü piller üretildiği şeklindedir. R=7 ve 10 seyreltme oranlarında büyütülmüş ve 2 dk. süreyle tavlanmış filmler için en yüksek kısa devre akımı ve açık devre gerilimi bu seride üretilen filmler için gözlenmiştir. Ayrıca, hidrojen seyreltmesi ile seri direnç arasındaki ilgileşim takip edilmiş, seyreltme miktarı arttıkça, seri direncin düştüğü dolayısıyla nispeten daha iyi pasive edildiği görülmektedir. Bunlara ilaveten a-SiOX:H kalınlığının pil parametrelerine olan etkisi hem pilin özelliklerini ortaya çıkarmak hem de kuantum verimliliği ile takip edilmiştir. Mavi ışığa en yüksek tepkinin 5-6 nm kalınlığındaki a-SiOX:H filmlerle geldiği belirlendikten sonra , i a-Si:H tabakasındaki gibi 60 s süresince büyütülmesi gerektiği anlaşılmıştır. Tez çalışmasın devamında i a-SiOX:H tabakaya ilaveten pencere tabakası olarak n-türü katkılı a-Si:H film yerine n-türü katkılı a-SiOX:H pencere tabakası filmler kullanılmak suretiyle güneş pilinin veriminin nasıl etkilendiği güneş pili parametreleri ve kuantum verimlikleri takip edilerek incelenmiştir. Bu amaçla ilk önce literatür desteğiyle birlikte var olan sistem ile [PH3]:[SiH4]:[CO2] sccm koşullarında PH3 miktarı 20-60 sccm aralığında değiştirilmiştir. Bu seri örneklerde en yüksek verimin elde edildiği 40:40:20 sccm katkılama oranındaki güneş pilleri için optimum n-türü katkılı a-SiOX:H film kalınlığı güneş pili parametreleri ve kuantum verimi takip edilerek belirlenmeye çalışılmıştır. Bu güneş pillerinde tavlama sıcaklığının filmlerin büyüme sıcaklığı olan 190 C den daha büyük olan 300 C'de ve 80 dk.- 90 dk.'lara varan tavlama sürelerinde olduğu görülmüş ve en uygun büyüme süresi 80 s olarak gözlenmiştir.