Saydam iletken oksit tabakalarda yapısal özelliklerin araştırılması

Abstract

Saydam iletken oksit (SİO) tabakalar, yüksek elektrik iletkenliğine ve optik geçirgenliğe sahip olan fotovoltaik malzemelerdir. Bu özelliklerinden dolayı güneş pillerinde ön yüzey elektrotu olarak kullanılmalarının dışında düşük emisyona sahip camlarda ve dokunmatik uygulamalarda da kendisine kullanım alanı bulmuştur. Ticari uygulamalarda şimdiye kadar kalay oksit (SnO2), indiyum-kalay oksit (ITO) ve çinko oksit (ZnO) olmak üzere üç tip saydam iletken oksit tabaka kullanılmıştır. Çinko oksit filmlere alüminyum, galyum, magnezyum, indiyum gibi katkı elemanları ilave edilmektedir. Bu katkı elemanlarının ilavesiyle yapıdaki taşıyıcı konsantrasyonu artırılarak elektriksel özellikler iyileştirilmektedir. Saydam iletken oksit tabakaların optik, elektriksel ve yüzey özelliklerini iyileştirmek için büyütme sonrası bazı işlemler uygulanmaktadır. Bu işlemlerden başlıca olanlar ısıl işlem ve yüzey aşındırmadır. Isıl işlemler ile yapının tane boyutu ve bileşimi değiştirilerek, filmin optik ve elektriksel özellikleri iyileştirilmektedir. Yüzey aşındırma ile büyütme sonrası yüzey pürüzlülüğü istenen değerde olmayan filmlerin yüzey pürüzlülükleri arttırılarak ışık tuzaklama özellikleri geliştirilmektedir. Bu çalışmada saydam iletken oksit tabakalara büyütme sonrası işlemlerin etkisi incelenmiştir. Isıl işlemin elektriksel, yapısal ve optik özelliklere etkisinin belirlenmesine yönelik gerçekleştirilen işlemler farklı süre ve sıcaklıklarda atmosfere açık ortamda ısıtıcı tabla yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Deneyler 100 °C, 200 °C ve 300 °C'de her bir sıcaklık değeri için, 15 dakika, 30 dakika, 45 dakika ve 60 dakika sürelerince gerçekleştirilmiştir. Yüzey aşındırmanın etkisini incelemek amacıyla GZO filmler, 1 saniye, 2 saniye, 3 saniye, 4 saniye ve 5 saniye sürelerde % 0,1'lik HCl çözeltisine daldırılarak kimyasal aşındırma işlemi yapılmıştır. Büyütülen ince filmlerin karakterizasyonunda çok çeşitli teknikler kullanılmıştır. Film kalınlıkları taramalı elektron mikroskobisi (SEM) yöntemiyle ölçülürken, filmlerin öz direnç değerleri dört uçlu ölçüm probu ile hesaplanmıştır. Optik geçirgenlik değerleri optik geçirim (UV-VIS) yardımıyla ölçülürken, yüzey pürüzlülük değerleri atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile belirlenmiştir. Saydam iletken oksit tabakalarda verimlilik ölçütünü belirlemek için "figure of merrit" olarak adlandırılmış iletkenliğin ve optik emilimin birbirleri ile oranı hesaplanmıştır. Isıl işlem deneyleri sonucunda sadece ZnO filmlerin özdirenç değerleri >10-2 Ω.cm mertebelerine ulaşırken, % optik geçirim değerleri >% 83 değerlerinde ölçülmüştür. Bant aralığı 3,40 eV'den 3,30 eV değerlerine düşerken FOM değerleri 100 °C'de 45. dakikanın sonunda, 200 °C'de 15. dakika ve 30. dakikanın sonunda artışa uğramıştır. AZO filmlere uygulanan ısıl işlem deneylerinin sonucunda özdirenç değerleri en yüksek >10-2 Ω.cm mertebelerine ulaşırken % optik geçirim değerleri >% 87 değerlerinde ölçülmüştür. Bant aralığı değerleri 3,98 eV'den 3,71 eV değerlerine düşerken FOM değerleri FOM değerleri %40 oranında düşüş göstermiştir. GZO filmlerde ise elektriksel özdirenç değerleri genellikle >10-3 Ω.cm mertebesinin üstüne çıkmamış, % optik geçirgenlik değerleri >% 81 değerlerinde seyretmiştir. Bant aralığı değerleri 4,00 eV'den 3,80 eV değerlerine düşmüş, FOM değerleri ise en fazla % 31 oranında düşüş göstermiştir. Yüzey aşındırma işlemleri uygulanan GZO filmlerin 5. saniyenin sonucunda neredeyse 2 katına çıkarak 1,222 x10-3'den 2,2461 x10-3'ye ulaşmıştır. Filmlerin % optik geçirgenlik değerleri % 84-85 civarında değişmiştir. Bant aralığı değerleri 4,00 eV'den 3,85 eV'ye düşmüştür. FOM değerleri 5. saniyenin sonunda % 50 oranında azalmıştır. Yüzey pürüzlülük değerleri ise 5. saniyenin sonunda iki katına çıkarak 5,10 nm'den 9,35 nm değerlerine ulaşmaktadır.