Solar cells
59 theses under this subject heading
The production and investigation of antimony based thin films for energy applications
Unlike the materials commonly used in thin-film photovoltaic technologies, Sb2S3 films promise a high potential in energy applications with their unique properties such as containing abundant and non-toxic elements, stability and high absorption coefficient. However, theoretically predicted efficiency values cannot be reached for Sb2S3 based photovoltaic solar cell devices. High optical band gap and high electrical resistivity values are the main reasons for this. The motivation of this Ph.D. thesis is to add Cu and Bi metals into the Sb2S3 structure by applying new and alternative methods in the production process and to find solutions for the high optical band gap and high electrical resistivity problems of Sb2S3 film, which is known as an emerging material for solar cell technologies. It is aimed to obtain Cu or Bi containing Sb2S3 films with a two-stage process. In the first stage, the precursor coatings were obtained by thermal evaporation method, and in the second stage, these precursor coatings were subjected to heat treatment for an effective metal diffusion in a furnace in sulfur atmosphere. Precursor coatings for Cu-containing Sb2S3 films were prepared in Cu/Sb2S3 form and the initial heat treatment temperature was determined as the key parameter. In addition, precursor coatings prepared in two different geometries as bi-layer form of Bi/Sb2S3 and multi-layer form of Bi/Sb2S3 (5 layers) were subjected to heat treatment in a sulfur atmosphere at different temperatures (180, 200, 220, 240 and 260 ◦C) and Bi containing Sb2S3 films were obtained. Analyses were performed by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, X-ray Diffraction, Raman spectroscopy, Atomic Force Microscopy, Scanning Electron Microscopy and Four-Probe Technique to investigate the effect of incorprating Cu and Bi metals and selected initial parameters on the physical properties of Sb2S3 films. As a result of the analyses and evaluations carried out, it has concluded that the properties of Sb2S3 films containing Cu and Bi can be improved by using parameters such as initial heat treatment temperature and precursor coating geometry during metal incorpration processes, and outputs of this study may be a solution to common problems such as high optical bandgap and high electrical resistivity value of Sb2S3 films.
Güneş pili için elektrot aktif materyal tasarımı
Bu çalışmada, elektron verici, elektron alıcı ve π boşluk oluşturucu gruplar sırasıyla; karbazol, siyanoasetik asit, tiyofen ve furan birimlerini içeren yeni organik monomerler tasarlanmış ve sentezlenmiştir. Sentezlenen 2-siyano-3-[5-(9-oktil-9H-karbazol-3-il)-tiyofen-2-il]-akrilik asit (1ThCzSA), 3-(5-{6-[5-(2-karboksi-2-siyano-vinil)-tiyofen-2-il]-9-oktil-9H-karbazol-3-il}-tiyofen-2-il)-2-siyano-akrilik asit (2ThCzSA), 2-siyano-3-[5-(9-oktil-9H-karbazol-3-il)-furan-2-il]-akrilik asit (1FuCzSA), 3-(5-{6-[5-(2-karboksi-2-siyano-vinil)-furan-2-il]-9-oktil-9H-karbazol-3-il}-furan-2-il)-2-siyano-akrilik asit (2FuCzSA) karbazol türevli monomerlerin spektroskopik karakterizasyonları FT-IR, 1H-NMR, 13C-NMR ile analiz edilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları ile yapıları aydınlatılan bileşiklerin (1ThCzSA, 2ThCzSA, 1FuCzSA, 2FuCzSA) hazır alınan ve fotoanot olarak kullanılan Titan (IV) oksit (TiO2) ile Boya Duyarlı Güneş Pili (BDGP) fabrikasyonları yapılmıştır. Tüm BDGP' lerin akım-voltaj (J-V) ölçümleri, AM 1,0 G (100 mW/cm2) aydınlatma koşullarında solar simülatör cihazı gerçekleştirilmiştir. Güneş pili performansını etkileyen açık devre voltajı (Voc), kısa devre akımı (Isc), dolum faktörü (FF) ve güç dönüşüm verimliliği (%n) değerleri ölçülmüştür. Sentezlenen monomerlerden; 1ThCzSA, 2ThCzSA ve bu monomerlerin karbazol ile kopolimerleri dönüşümlü voltametri yöntemi (CV) kullanılarak indiyum katkılı kalay oksit (ITO) yüzeyinde sentezlenmiştir. Elektrokimyasal sentezler tetrabutilamonyum heksaflorofosfat (TBAPF6) ve tetraetilamonyum tetrafloroborat (TEABF4) içeren diklorometan:asetonitril (DCM:ACN) çözücü karışımlarında iki farklı ortamda gerçekleştirilmiştir. ITO yüzeyinde elde edilen filmlerin elektrokimyasal yöntemle karakterizasyonları yapılmıştır. Ayrıca bu filmlerin yüzey morfolojik özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Dönüşümlü voltametri yöntemi ile filmlerin redoks parametreleri, elektroaktif özellikleri ve elektrokararlılıkları incelenerek güneş pillerinde elektrot aktif materyal olarak kullanımının uygunluğu araştırılmıştır.
FTO/TiO2/MAPbI3/C60/Ag tabakaları ve perovskit güneş hücresinin stres faktörleri altında karakterizasyonu
Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan Güneş enerjisi büyük bir potansiyele sahiptir. Ancak yenilenebilir enerjilerden elektrik enerjisi üreten sistemler ve teknolojiler sürdürülebilir kullanım için yüksek verim ve düşük maliyetleri karşılamak noktasında yetersiz kalmaktadır. Güneş hücrelerinin üretimindeki teknolojilerin ilerlemesi ile yeni nesil güneş hücreleri kendilerine bu alanda yer bulmaya başlamışlardır. Bu yeni nesil güneş hücreleri arasında olan perovskit güneş hücreleri düşük maliyetleri ve yüksek verimleriyle bilim insanlarının dikkatini çekmektedir. Ancak perovskit güneş hücrelerinin piyasada ticari olarak bulunamamasının sebebi üretimlerinden kısa bir süre sonra bozunmaları ve verimlilik değerlerini kaybetmeleridir. Bu tez çalışmasında; FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/C60/Ag konfigürasyonunda üretilmiş olan perovskit güneş hücrelerinin hem hücre hem de tabaka bazlı bozunmaları incelenmiştir. Bu bağlamda tabakalardan CH3NH3PbI3 ve C60 termal buharlaştırma yöntemi ile TiO2 tabakası ise sputter (saçtırma) yöntemi ayrı ayrı cam taban malzemeler üzerine büyütülmüştür. Üretilen malzemelerin yapısal karakterizasyonu için XRD (X- ışını Kırınımı) desenlerinin analizleri, yüzey morfolojisi analizleri için Taramalı Elektron Mikroskobu, optik absorbasyon ve ışıl geçirgenlik için UV-Vis Soğurma Spektroskopisi analizleri yapılmıştır. Üretilen malzemelerin bozunma mekanizmaları laboratuvar atmosferi, vakum atmosferi, ışık banyosunda, ultraviyole ışık altında ve oksijen gazı altında yaşlandırılmış durumları için elektriksel karakterizasyon yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Elektriksel karakterizasyon yöntemleri olarak ışık akısına bağlı, sıcaklığa bağlı, zamana bağlı, karanlık ve aydınlık iletkenlik ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Stres faktörleri altında tabakalarda elde edilen sonuçlar ile hücrelerde elde edilen sonuçlar arasında korelasyon kurularak bozunmanın etkilerine ışık tutulmaya çalışılmıştır.
Dumlupınar Üniversitesi Merkez Kampus çevre aydınlatma elektrik enerjisinin; güneş enerjisi ile sağlanması
Günümüzde enerji ihtiyacı nüfus artışı, hızlı teknolojik gelişmeler, ekonomik büyüme ve küreselleşme gibi etmenlere bağlı olarak artmaktadır. Güneş enerjisi, enerji tüketimine cevap verebilmek amacıyla kullanılan alternatif enerji kaynaklarından birisidir.Bu tez çalışmasında Dumlupınar Üniversitesi merkez kampüsünde bulunan tüm dış aydınlatmaların, güneş enerjisi ile elektrik ihtiyacı karşılanırsa, uygulanabilir projesi nasıl olur sorusuna yanıt vermiştir. Bunun için mevcut aydınlatma armatürlerini besleyen enerji dağıtım panolarındaki akımlar ayrı ayrı ölçülmüştür. Bu ölçümler sonucunda kurulu güç hesaplanmıştır. Projede güneş pilleri on-grid inverter ile şebekeye bağlı olarak sistemi beslemiştir. Projede gerilim düşümü hesaplamaları yapılmış, buna bağlı dağıtım projesi de çizilmiştir. Kullanılacak olan güneş paneli sayısı ve inverter gücü hesaplandıktan sonra kampüste uygun bulunan arazi seçilerek yerleri proje üzerinde gösterilmiştir. Projede kullanılacak malzemelerin maliyet analizi çıkarılarak, projenin ne kadar sürede ekonomik olacağı hesaplanmıştır.
Kimyasal püskürtme tekniği ile üretilen CdO bileşiklerinin yapısal ve optik özellikleri
Bu çalışmada, katkısız ve farklı oranlarda (%0, %2, %4, %6 ve %8) flor katkılı CdO yarıiletken filmleri kimyasal püskürtme yöntemi ile cam tabanlar üzerine 250 ? taban sıcaklığında üretilmiştir. CdO yarıiletken filmlerinin yapısal ve optiksel özelliklerine F katkısının etkisi araştırılmıştır. Üretilen yarıiletken ince filmlerin kalınlıkları, 0.078-0.150 µm arasında değişmektedir. CdO:F filmlerinin soğurma spektrumlarından direkt band geçişli oldukları ve yasak enerji aralıklarının 2,60-3,40 eV arasında değiştiği görülmüştür.X-ışınları kırınım desenlerinden elde edilen filmlerin yapısının polikristal ve yüzey merkezli kübik yapıda oldukları belirlenmiştir. Katkısız ve F katkılı CdO ince filmlerinin x-ışını kırınım deseninden yararlanarak a örgü sabiti değerlerinin 4,68514 ? ile 4,7067 ? arasında, tanecik büyüklüklerinin 215 ? ile 265 ? arasında ve dislokasyon yoğunluklarının 1,418×10-3 (nm)-2 ile 2,16132×10-3 (nm)-2 arasında oldukları hesaplanmıştır.
Development of an electrodynamic cooling system and simulator to improve the performance of a double faced photovoltaic system
Photovoltaic cooling is a way to improve electrical performance of photovoltaics against thermal effects. Based on this purpose, the thesis study is developed with three subsystems: Solar simulator system, dynamic control system and double faced photovoltaic system. Solar simulator system has two identical light sources, two identical photovoltaic panels back to back, cooler and heater. By activating heater, thermal effect on electrical performance of double faced system is observed. By activating cooler, cooling effect on electrical performance of double faced photovoltaic system is observed. Dynamic control system has two temperature sensors those are inside the solar simulator and outside the solar simulator. Based on temperature difference between temperature sensors, cooling mechanism is activated electrodynamically. Temperature measurement is done in a real-time manner. Double faced photovoltaic system is designed to improve electrical performance of photovoltaic systems. It is placed inside the solar simulator system to improve the output power. It is concluded that designed solar simulator system eases the observation of thermal and cooling effect on electrical performance of photovoltaic systems. Thanks to its time-independent and weather-independent operation, it is possible to conduct experiments in every day time, every month and every weather.
Performance of SnS: Ag doped Cu prepared by PLD technique for solar cell application
In this thesis, (SnS: Ag): Cu/Si solar cell was fabricated by modifying specific properties of SnS films deposited on Si wafers using the PLD technique by doping SnS: Ag with Cu at different ratios. The effect of the Cu doping ratio on the properties of the prepared thin films was investigated with using different techniques. The XRD analysis shows the polycrystalline nature of the prepared SnS powder and broad lines for thin films as its nanocrystalline structure. Additional phases appeared corresponding to Ag and Cu at a high ratio. The crystallite size reduced from 15.4 to 12.8 nm after doping with 0.05 Cu, and increased up to 14.7 with an increasing Cu ratio to 0.15, while the lattice strain has the opposite behavior. The AFM and FTIR results show the lowest roughness at a 0.05 Cu ratio and the characteristic bands for SnS. Most bands shifted towards a higher wavenumber after doping with Ag, as well as with Cu. The optical absorbance increases for the SnS: Ag sample and more increasing with the Cu content. A red shift in the band edge with Cu doping appeared. The band gap reduced from 2.2 eV for SnS to 1.75 eV for (SnS: Ag)0.85Cu0.15. The direct current conductivity shows two activation energies reduced with metal content. Both the SnS and (SnS: Ag)0.85Cu0.15 were p-type, while the three others were n-type. The I-V characteristic shows typical curves with an acceptable ideality. The optimum solar efficiency of 1.28% appeared for the (SnS: Ag)0.9Cu0.1/p-Si heterojunction.
Perovskite güneş pili için pld tekniği ile WO3katkılı InZnO filmlerinin fotovoltaik performansınıgeliştirme
This study investigated the effect of composing indium-zinc oxide IZO with tungsten oxide and prepared as a thin film by pulsed laser deposition technique on the characteristics of the deposited IZO thin films. The X-Ray Diffraction (XRD) shows to compose of the IZO with different ratios of WO3, causing the appearance of hybrid ZnO and WO3 phases. Doping with WO3 highly effect lattice constants, crystalline size, and lattice strain. The crystalline size reduced with increasing the WO3 to 15 %, while the opposite behavior appeared for the lattice strain and fluctuation of the lattice constants due to the incorporation of some of the W atoms within the ZnO lattice. The optical absorption is slightly increased, and the energy bandgap is reduced (from 2.8 to 2.1 eV) with the WO3 content. Hall Effect measurement shows that all films were n-type, charge carrier mobility decreased, while the mobility reduced, and the conductivity enhanced with WO3 content. The I-V characteristics of the ZnO/p-Si, IZO/p-Si and IZO: WO3/ p- Si heterojunction at different WO3 ratios show photovoltaic behavior. Here, with a 15% contribution, it is the sample with the highest efficiency (η=5.60%).
Improving maximum power point tracking MPPT using different controller techniques
As it is known that, one of the obvious disadvantages of a photovoltaic system is the low power output of solar radiation because of the changes in the environmental conditions. An inexpensive and practical solution related to convert a solar energy is tracking the maximum power point of the solar panel. The project reviews the methods for finding the maximum power point based on the perturbation of the photovoltaic system. A comparative analysis of the methods is carried out, their advantages and disadvantages are revealed. The mathematical model of the system and the algorithms were reviewed and a complete model was built in the Matlab environment and the results were presented. An example of the construction of an analog control system for a DC voltage converter of a hysteresis type is shown. The work of a solar battery in conditions of partial shading, which leads to difficulties in tracking the global maximum power point, and ways of solving this problem are considered. The study focused on three common techniques in tracking MPPT, Perturb and Observe P&O, Incremental Conductance IC and Fuzzy Logic Control FLC. For fast charging and increasing the battery life cycle, PI controller was added and connected with the DC-DC converter.
Synthesis and characterization of nanocrystalline CdS1-x CuSx thin films for solar cell applications
In this study, thin films of CdS 1-x CuS x with a concentration of 0.1M, were prepared by spray chemical technique on glass bases at a temperature of 673 K and with a thickness of 300 ± 50 nm. The values of the absorption coefficient, refractive index, attenuation coefficient, and the real and imaginary part of the optical dielectric constant were calculated. The electrical results (Hall Effect) showed that the pure CdS films are of the n-type type and have a negative Hall coefficient. As for the rest of the films prepared from CdS impregnated with percentages of 3, 6, and 9 % of copper sulfide, they are of the p-type and have Hall coefficient is positive, and the values of concentration, conduction, and mobility carrier concentration, as it was found that each of them increases with the percentage of doping. As for the resistivity values for all films, it was found that they decreased with the increase in doping percentages. On the other hand, the "Vo.c, Is.c, Vm, Im, FF, and efficiency" of the solar cell were measured. The parameters of the solar cells were found using a test system (I-V) under illumination. The results showed that the low efficiency of the CdSCuS/n-Si solar cell was found.
Yeni türdeki jellerin boya duyarlı güneş pillerinde kullanılması
Bu tezde yeni sentezlenmiş jeller, boya duyarlı güneş pillerinde (DSSC) sıvı elektrolit sorununu çözmek için jel elektrolitler olarak kullanılmıştır. Bu amaçla, duyarlaştırıcı olarak karadut boya ile 7 adet DSSC hazırlanmıştır. Daha sonra bir tanesi, yaygın olan iyot elektrolit kullanılarak hazırlanmıştır. Diğerleri, iyot elektrolit adsorbe edilen Poli (2-akrilamido-2-metilpropan sülfonik asit- ko itakonik asit) (Poli-AMPS-IA) ve bunun türevleri olan Flor (F), Brom (Br), Klor (Cl), Anilin (An) katkılar kullanılarak hazırlanmıştır. Güneş pili parametreleri (verim, dolgu faktörü vs.) 150 gün boyunca DSSC'lerin elektriksel kararlılıkları açısından incelenmiştir. Yukarıda sözü edilen jellerin DSSC'de 150 gün boyunca kararlı elektriksel karakteristik gösterdiği bulunmuştur. Ayrıca kullanılan jellerden Poli (AMPS-IA/F-Cl-Br-An)'nin 2.62 kat, AMPS-IA'nın 2.23 kat, AMPS-IA/An'nin 1.69 kat, AMPS-IA/Cl-An'nin 1.62 kat, AMPS-IA/F-An'nin ve AMPS-IA/Br-An'nin ise 1.46 kat gibi önemli ölçüdeki değerlerle enerji dönüşüm verimini artırdığı tespit edilmiştir. Anahtar sözcükler: DSSC, Karadut doğal boya, Jel polimer elektrolit
Katkılı çinko oksit ince filmlerin püskürtülerek kaplama tekniği ile üretilmesi ve polimer güneş hücrelerinde kullanılması
Bu çalışmada düşük sıcaklıkta (≤150 °C) katkısız, katkılı ve eş katkılı olarak ZnO nanoparçacıklar üretilmesi ve atmosfer koşullarında püskürtülerek kaplama yöntemiyle ters tip organik güneş hücre yapısında elektron taşıma malzemesi olarak kullanılmasının fotovoltaik performans üzerine etkilerinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu bağlamda, öncelikle üç farklı element (Al, Sn ve Y) kütlesel olarak sırasıyla %0,5, %1, %3 ve %5 oranlarında katkılanmıştır. Tüm örneklerin yapısal özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımı X-ışını spektroskopisi (EDX), X-ışını kırınımı (XRD) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile incelenmiştir. Optik özellikler ultraviyole görünür (UV-VIS) spektrofotometre kullanılarak karakterize edilmiştir. Fotovoltaik performans değerlendirmesi için açık devre gerilimi (Voc), kısa devre akım yoğunluğu (Jsc), dolum faktörü (FF) ve güç dönüşüm verimliliği (PCE) gibi temel parametreler değerlendirilmiştir. Özellikle Al katkısı, parçacık boyutunu küçülterek, Jsc değerinde bir artış meydana getirmesiyle hücrelerin fotovoltaik performansının iyileşmesini sağlamıştır. Katkısız ZnO nanoparçacıklı hücreler %1,59 PCE ile referans olarak belirlenmiştir. Tüm durumlar değerlendirildiğinde, tek katkı elementi olarak %5 Al katkılı hücreler %3,72 PCE ile en iyi fotovoltaik performansı göstermiştir. Ayrıca, farklı eş katkı oranları kullanılarak gerçekleştirilen deneylerde, (%0,5 Al - %0,5 Sn), (%0,5 Sn-%1 Y), (%0,5 Al - %1 Y) ve (%0,5 Al - %1 Sn) olacak şekilde dört farklı durum değerlendirilmiştir. Sonuçlar, eş katkılı ZnO nanoparçacıklarının güneş hücrelerinin fotovoltaik performansını artırdığını göstermiştir. En iyi PCE, %2,40 ile (%0,5 Al-%1 Sn) durumunda elde edilmiştir. Bilinen literatürde ilk kez denenen Sn ve Y eş katkısı (%0,5 Al-%1 Y) durumu için, %1,99 PCE ile katkılanmasının güneş hücrelerinin performansını artırabileceğini göstermektedir. Tüm bu sonuçlar, ZnO nanoparçacıklarının ters tip güneş hücrelerinin performansını etkileyen önemli faktörler olduğunu vurgulamaktadır ve uygun katkılama oran ve koşullarını sunmaktadır.
Design and fabrication of mos solar cells
ABSTRACT DESIGN AND FABRICATION OF MOS SOLAR CELLS TÜTÜNCÜLER, Hayriye M. S in Physics Engineering Supervisor: Assoc. Prof.Dr. M. Sadettin ÖZYAZICI February 1994, 81 pages In this thesis, effects of insulating (oxide) layer on Schottky barrier (metal -semiconductor contact) has been investigated. To make this investigation more specific minority carrier metal -oxide-semiconductor (MOS) solar cells were designed and fabricated in the form of Al-oxide-p-type silicon crystal. Resistivity of samples were measured before fabricating MOS solar cells. Aluminum coating was made by Vacuum Coater System with Diffusion Pumping System. To maximize the efficiency of the MOS solar cell, the open circuit photovoltage, short circuit photocurrent and the fill factor must be as high as possible when the total incident light energy is kept constant. But these factors depend on the same parameters and related to each other. When one parameter is increasing as a function of certain parameter, the others may be decreasing. Therefore, straightforward maximization of efficiency is not possible. To see the effects of insulating layer thickness on the short circuit current, different oxidation techniques were used. After device fabrication was completed I-V and C-V iiicharacteristics of solar cells have been measured. Open circuit voltage(VQC) and short circuit current (Iscj which affect the conversion efficiency have been determined. Experimental results showed that presence of positive charges in oxide layer enhance the Voc as indicated by the increase in barrier height. High barrier height decreases the dark current altering the I-V characteristics in the dark. Efficiencies of MOS solar cells were calculated as 7.3 %. This value is low as compared to published results. The reasons of getting low conversion efficiencies have been also discussed. Key words: MIS/MOS solar cells, photocurrent, photovoltage, efficiency. IV
Determination of trap levels of MOS structure semiconductor devices at cryogenic temperatures
ÖZET MOS YAPILI YARI İLETKEN DEVRE ELEMANLARININ TUZAK SEVİYELERİNİN DÜŞÜK SICAKLIKLARDA TESBİTİ DO?RU, Nuran Yüksek Lisans Tezi, Elk. Elektr. Müh. Böl. Tez Yöneticisi; Prof. Dr. Sadettin ÖZYA21CI Temmuz 1997, 105 sayfa Bu tezde, MOS yapılı güneş pillerindeki yarı iletken devre elemanlarının karakteristiğini ve verimini etkileyen tuzak seviyelerinin çok düşük sıcaklıkta tesbitinin yapılması gerekiyordu. Bu nedenle AI«oksit-p- tipi silicon kristaller şeklinde MOS yapılı güneş pilleri tasarlanmış ve üretilmiştir. Laboratuvar çalışmasında, güneş pilleri doğal yöntemle oksit tabakası yaratılarak ve vakuum buharlaştırma yöntemi ile Alüminyum metal kontaklar yaparak elde edilmiştir. Yarı iletken devre elemanlarındaki tuzak seviyelerinin oda sıcaklığında çabucak dolup ve boşalmalarından dolayı bütün ölçümler sıvı azot (77 K) gazı kullanan kriyostat içinde yapılmalıdır. Fotokapasitans tekniği kullanılarak bu tuzak seviyeleri belirlenebilir. Güneş pillerinin, tuzak seviyeleri, l-V, dl/dV ve kapasitansı Işık ayrıştırıcı, Kapasitans metre ve l-V karakteristik ölçüm düzeneği ile ölçülmesi gerekiyordu. Fakat deney süresince, l-V, C-V ve C-X karakteristikleri elde edilememiştir, çünkü kriyostat çalıştırılamamıştır. Bu nedenle, kuantum verimi, emme katsayısı, lp (fotoakim)-X ve Vp (fotovoltaj)- 2ı gibi bazı fiziksel parametreler ölçülmüştür.ABSTRACT DETERMINATION OF TRAP LEVELS OF MOS STRUCTURE SEMICONDUCTOR DEVICES AT CRYOGENIC TEMPERATURES DO?RU, Nuran M.S. in Electrical and Electronics Eng. Supervisor: Prof. Dr. Sadettin ÖZYA2ICI July 1997, 105 pages In this thesis, trap levels which effect the characteristics and efficiency of the semiconductor devices in MOS (metal-oxide- semiconductor) structure solar cells must have been determined at cryogenic temperatures. For this reason MOS solar cells are designed and fabricated in the form of Al- oxide- p type silicon crystals. In laboratory work, solar cells are produced by creating natural oxide layer and then depositing Aluminum metal contacts by vacuum evaporation technique. Since trap levels in semiconductors can quickly charge and discharge at room temperatures, all measurements must be carried out in a cryostat which uses liquid nitrogen gas (77 K). Using Photocapacitance technique these levels in cells can be determined. Trap levels, l-V, dl/dV,and Capacitance of each solar cell must have been measured by using Monochromator, Capacitance meter and l-V characteristics measurement. But during experimental study, l-V, C-V and C-X characteristics were not obtained, because cryostat was not run. Therefore, some physical parameters such as quantum efficiency, absorption coefficient, lp (photocurrentH and Vp (photovoltage)- X were measured. Ill
Kompozit yarı iletken fotoanotların boya duyarlı hibrit güneş pili performansına etkisi
Bu tez çalışmasında, hidrotermal yöntemi ile üretilen TiO2 ve ZnO tozlarının boya duyarlı güneş pillerinin (BDGP) performansını nasıl etkilediği araştırılmıştır. Üretilen tozlardan, saf TiO2, ağırlıkça 3:1 TiO2/ZnO, 1:1 TiO2/ZnO, 1:3 TiO2/ZnO ve saf ZnO olmak üzere 5 farklı boya duyarlı hibrit güneş pili üretilmiştir. İletken cam olarak florin katkılı kalay oksit (FTO), karşıt elektrot olarak platin (Pt) ve boya olarak rutenyum (Ru) tercih edilmiştir. FTO üzerine farklı oranlardaki ZnO:TiO2 fotoanotları serigrafi yöntemi ile kaplanmıştır. Üretilen fotoanotların morfolojik ve minerolojik analizleri SEM, XRD ve EDX ile belirlenmiştir. XRD analizleri ise hedeflenen kristal fazlarının yapıda oluştuğunu doğrulamıştır. TiO2 ve ZnO taneciklerinin morfolojisi incelendiğinde taneciklerin sıkıca paketlendiklerini ve TiO2 miktarı arttıkça daha pürüzsüz bir yapı oluştuğu SEM görüntüleri ile gözlemlenmiştir. Üretilen boya duyarlı güneş pillerinin fotovoltaik parametreleri solar simülatör cihazı ile analiz edilmiştir. TiO2:ZnO oranı değiştikçe pil verimlerinin (% 0,0013-2,3613 aralığında) değiştiği saptanmıştır. En yüksek verimi (ƞ) saf TiO2 fotoanoduna sahip boya duyarlı güneş pilinin sergilediği gözlemlenmiş ve TiO2 oranı arttıkça pil verimlerinde bariz bir artış olduğu tespit edilmiştir. Oransal olarak TiO2 miktarı artıkça verimin yükselmesi TiO2'nin daha kararlı bir yapıya sahip olduğunu göstermiştir.
Silisyum güneş pillerinin fotovoltaik özelliklerine etkin eden çevresel etkilerin araştırılması
Günümüzde kullanılan enerji kaynaklarının büyük bir kısmını fosil yakıtlar oluşturmaktadır. Fosil kaynaklı bu yakıt türleri dünyamızda belirli miktarda rezervlere sahiptirler. Günlük yaşamımızdaki enerji ihtiyacı artışı nedeniyle, mevcut enerji kaynakları hızla tükenmektedir. Fosil yakıt kaynaklarının hızlı bir şekilde tükenmesi ve fosil yakıtlardan kaynaklanan çevre kirliliğine sebebiyet vermesinden dolayı yakın zamanda rüzgar, güneş, dalga, jeotermal, biokütle, hidrolik ve hidrojen gibi alternatif enerji kaynaklarının kullanımı büyük önem kazanmıştır. Güneş enerjisinin kullanılmasıyla enerji üretimi alternatif enerji kaynakları uygulamaları arasında en çok tercih edilenidir. Bu çalışmada, ülkemizde ve dünyada kullanılan alternatif enerji kaynaklarına değinilmiş ve Güneş enerjisinin gelişmiş ülkelerde ve Türkiye' deki mevcut durumu, Güneş enerji santrallerinin çeşitleri ve çalışma prensipleri değerlendirilmiştir. Bilindiği üzere Türkiye' de Güneş enerji sistemleri istenilen seviyeye ulaşamamıştır, Güneş enerjisi santrallerinin uygulama alanlarının ağırlıklı olarak, arazilere uygulanan güneş tarlaları ve çatılara uygulanan güneş enerji sistemleri olduğu bilinmektedir. Bu sistemler fotovoltaik yöntemle güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürebilen sistemlerdir. Fotovoltaikler, güneş ışığından elektrik enerjisi üreten güneş pilleri olarak adlandırılmaktadırlar. Bu çalışmada Fotovoltaik güneş pilleri çeşitleri arasında en çok tercih edilen silisyum güneş pillerine değinilmiş ve silisyum güneş pillerinin enerji üretimi aşamalarında etkilenmekte olduğu sıcaklık, nem, toz, kirlilik gibi çevresel faktörler üzerinde durulmuştur. Uygulama alanı gün geçtikçe artan fotovoltaik güneş pillerini kullanarak elektrik enerjisi üreten sistemlerin enerji kayıplarının nasıl düşürülebileceği, enerji verimliliğinin nasıl arttırılabileceği, enerji üretimi aşamalarını etkileyen çevresel faktörlerin nasıl en aza indirilebileceği gibi konular üzerinde durulmuştur.
Ada modlu DC/AC evirici temelli iki eksenli güneş takip sisteminin geliştirilmesi
Dünya çapında elektrik enerjisine artan ihtiyaç, dağıtılmış yenilenebilir enerji üretim sistemlerine olan ilgiyi arttırmış ve kullanımını hızla geliştirmiştir. Sürekli artan elektrik enerji tüketimi, hem elektrik dağıtım sistemlerini hem de güç santrallerini aşırı yükleyerek elektrik enerjisinin sürekliliğini, güvenilirliğini ve kalitesini etkilemektedir. Bu nedenle, sürdürülebilirlik koşulunu sağlayan ve teknik olarak da yapılabilir çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışmasında ada tip DC/AC evirici topolojileri araştırılmış ve incelenmiştir. Bu araştırma sonucunda yüksek enerji verimliliği açısından evirici uygulama devrelerinin etkileşimli ve tümleşik bir sistem içerisinde uçtan uca değerlendirilmesi ve tasarlanması gereken bir ayrık devre elemanı bakış açısından ele alınması uygun görülmüştür. Bu araştırma esnasında Fotovoltaik enerjiden yararlanma modelleri göz önünde bulundurularak bir güneş pili modülü ile çalışan sistem kurularak değişik koşullarda deneyler yapılmıştır. Elde edilen Işığın Etkisi, Kısa-Devre Akımı, Açık-Devre Gerilimi, Dolum Faktörü, Sıcaklığın Panel Üzerindeki Etkisi, ideal akümülatör şarjı verileri mikroişlenci kontrollü bir ana kart ile değerlendirilmiştir. Bulgular neticesinde mikroişlemci kontrollü ada tipinde ve iki eksenli güneş takip mekanizmalı ideal bir güneş pili sistemi uygulama devresi azami güç ve azami verim bağlamında tasarlanmıştır.
Ag2S/CU2S/PbS kuantum nokta duyarlı güneş pillerinin üretimi ve karakterizasyonu
Düşük maliyetli ve nispeten kolay üretim ve yüksek verimlilik beklentisi, fotovoltaik hücre üretiminde kuantum nokta duyarlı güneş pillerini çekici kılmaktadır. Bu tezde, tek tabakalı ve çok tabakalı güneş pillerinin incelenmesi için iki ayrı çalışma yapılmıştır. Birinci çalışmada Ag2S kuantum noktaları tek tabaka ve üç ardışık tabakalı güneş pilleri, ardışık iyonik tabaka adsorpsiyon ve reaksiyon (SILAR) tekniği kullanılarak üretildi, optik ve elektriksel özellikler açısından araştırıldı. Tandem hücrede üç katmanlı TiO2 kaplaması sırasıyla 5, 4, 3 SILAR çevriminden geçirilmiştir. Tek katmanlı hücrelerin 300-1200 nm bant aralığında UV-vis spektrumlarından, SILAR döngü sayısı arttıkça absorbansın arttığı gözlenmiştir. Tek katmanlı güneş hücrelerine kıyasla, tandem yapılı güneş pilinin absorbans değerinin daha büyük olduğu görülmüştür. Artan SILAR sayısı ile bant aralığının 3,31 eV dan 1,41 eV a düştüğü belirlenmiştir. 100 mW/cm2 güneş simülatörü altında alınan I-V grafiklerinden tek katmanlı hücreler için verimi en yüksek olan numunenin 5 SILAR döngülü güneş pili olduğu görülmüştür. TANDEM güneş pilinin veriminin, tek katmanlı 4 ve 3 SILAR döngülü güneş pillerinden yüksek olduğu ve yaklaşık 5 SILAR döngülü güneş piline eşit olduğu sonucuna varılmıştır. İkinci çalışmada Ag2S, Cu2S ve PbS kuantum nokta yapılar kullanılmıştır. Bu kuantum nokta yapıların değişik kombinasyonları tek katlı TiO2 üzerine farklı SILAR döngülerinde biriktirilerek elektriksel ve optik özellikleri incelendi. Bant aralıkları, artan SILAR sayısı ile Cu2S kuantum noktalarla kaplı güneş hücresi için 3,48 eV den 2,85 eV ye, PbS kuantum noktalarla kaplı güneş hücresi için 3,46 eV den 2,15 eV ye düştüğü görülmüştür. TiO2 üzerine Ag2S ile birlikte PbS ve Cu2S kuantum noktalar biriktirilerek 100 mW/cm2 solar simülatör altında I-V ölçümlerinden yapılmıştır. PbS kuantum nokta yapıların Ag2S kuantum nokta yapılar ile birlikte kullanımının verimde azalmaya neden olduğu, Cu2S kuantum nokta yapıların Ag2S kuantum nokta yapılar ile birlikte kullanımın verimde önemli bir artış sağladığı sonucuna varılmıştır.
Ara bant yapılı güneş pillerinin sonlu fark metodu ile modellenmesi
Bu çalışmada, yarı-iletken malzemenin baz bölgesine yerleştirilen bir ara bant (AB) sayesinde yarı iletkene üç farklı enerji aralığı kazandıran ve dolayısıyla çıkış gerilimi düşmeden daha fazla enerji aralığındaki fotonların soğurulmasına imkan sağlayan Ara bant Yapılı Güneş Pili (ABGP), sonlu fark metodu kullanılarak matematiksel olarak yeniden modellenmiştir. Gerekli integral hesaplamaları yamuk yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Sonlu fark metodu kullanarak elde ettiğimiz denklemler Gauss Eleme metodu kullanılarak çözülmüştür. Bu hesaplamalar sonucu, ABGP'de mobilitenin, ışık konsantrasyonunun, enerji durum yoğunluğunun, baz bölgesi kalınlığının ve AB enerji seviyesinin verim üzerindeki etkileri elde edilmiştir. Ayrıca bu parametrelerin taşıyıcı yoğunluğu ve akım yoğunluğu değerlerinin baz bölgesi boyunca değişimlerini nasıl etkilediği incelenmiştir. Hesaplamalarda ABGP için optimum band aralığı olan 1.95 eV kullanılmıştır ve nonlineerlik etkisi ihmal edilerek literatür ile uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Buna göre, enerji durum yoğunluğu değeri 1019 cm-3 ve mobilite 2000 cm2/Vs'nin üzerinde olduğunda maksimum verim %63.8 olarak elde edilmektedir. Enerji durum yoğunluğu 1017 cm-3 ve mobilite 200 cm2/Vs'nin altına indiğinde verimde önemli oranda azalma tespit edilmiştir. Verimin ışık konsantrasyonu ile logaritmik bir artış sergilediği tespit edilmiştir. Optimum soğurma sağlanabilmesi için, optimum baz bölgesi kalınlığının mobilitenin 200 cm2/Vs'den büyük değerleri için 5 µm olması gerektiği gözlenmiştir. AB enerji seviyesininse detaylı denge modeli ile hesaplanan 0.71 eV'da bulunduğu bu yöntemle de gösterilmiştir. Emitter etkisi modele dahil edilerek, emitter kalınlıklarının verime etkisi elde edilmiştir.
Küçük ve orta ölçekli işletmelerde güneş paneli tasarım alternatiflerine yönelik bütünleşik akıllı sistem yazılımı geliştirilmesi
Bu çalışmada, küçük ve orta ölçekli işletmelerin elektrik ihtiyaçlarının belirli bir bölümünün güneş panelleri ile karşılanmasına yönelik uygun tasarımların geliştirilmesine yardımcı olacak model geliştirilmesi ve panel sistemi üzerinde süreçleri izleme ve veri analizi yapılmasını sağlayan bütünleşik akıllı sistem yazılımının geliştirilmesi amaçlanmıştır.Araştırma kapsamında ahşap sektöründe faaliyet gösteren küçük ve orta ölçekli işletmeler üzerinde model çalışması yürütülmüştür. Bu kapsamda, Bursa ilindeki ahşap üzerine faaliyet gösteren firmalara anket uygulanıp söz konusu firmaların elektrik tüketim profilleri belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar çerçevesinde ihtiyaca yönelik uygun panel sistemi verilerini sağlayan tasarım yapılarak, kullanıcılar için panel sistemi elemanlarına yönelik geniş bir veritabanı oluşturulmuştur. Bunların yanı sıra, küçük ve orta ölçekli ahşap işletmesinin elektrik ihtiyacının güneş panellerinden elde edilmesine yönelik olarak Gazi Üniversitesi Endüstriyel Teknoloji Eğitimi Bölümü'ne günlük ortalama 5,5 kW'lık enerji sağlayan model güneş paneli sistemi kurulmuştur.Model sistemden günlük olarak elde edilen akım ve gerilim verileri sisteme bağlı olarak kurulan pano üzerinden izlenebilir hale getirilmiştir. Hazırlanan yazılım ile panel sisteminin bütünleşik olarak değişik zaman aralarındaki akım, gerilim, enerji, verim ve günlük güneşlenme sürelerinin hesaplanmasına yönelik yazılım hazırlanarak, söz konusu sistemi izleme arayüzleri oluşturulmuş ve sistemin uzaktan kontrol edilmesi sağlanmıştır.
Güneş panelleri için bir maksimum güç noktası izleme algoritmaları sınama düzeneğinin tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Bilindiği üzere güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren güneş panellerinin akım gerilim karakteristikleri doğrusal değildir. Panelden çekilen akım arttıkça gerilim düşmekte, panel gücü de değişmektedir. Ancak, uygun bir denetim yöntemiyle karakteristiğin maksimum güç elde edilen noktasında çalışmak olasıdır. Değişen çevre ve yük koşullarında karakteristiğin maksimum güç elde edilen noktasında çalışmayı sağlayan çeşitli Maksimum Güç Noktası İzleme (MGNİ) yöntemleri geliştirilmiştir.Bu tezde, çeşitli MGNİ yöntemlerini deneyebilmek amacıyla bir düzeneğin tasarımı ve gerçekleşirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla 130 W gücündeki üç adet güneş panelinden alınan enerjiyi, yükselten bir DA-DA dönüştürücü aracılığıyla elektrikli bir aracın bataryasını doldurmakta kullanan bir devre tasarlanmıştır. Yaygın olarak kullanılan MGNİ algoritmalarından üçü mikroişlemci tabanlı bu devrede sınanmıştır. Tezde, güneş panelleri ve MGNİ izleme yöntemleri ile ilgili ayrıntılı kuramsal inceleme yapılmış, sistemin çalışması benzetim ve deneyler aracılığıyla gösterilmiştir.
Evsel yükler için yakıt pili-güneş pili hibrit sisteminin tasarımı, modellenmesi ve uygulaması
Son yıllarda fosil yakıtların tükenecek olması ve küresel ısınma ile birlikte güneş, hidrojen ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi artmaktadır. Özellikle hidrojen ve güneş, enerji üretimi için hibrit sistemlerde birlikte kullanılmaktadır. Fotovoltaik sistemlerde hava şartlarına bağlı olarak üretilen enerjinin depolanmasına ihtiyaç duyulur. Bu tür sistemlerde kullanılacak bataryaların hem ömürleri kısadır hem de bakım masrafları vardır. Bu nedenle güneş pillerinin yakıt pilleri ile birlikte kullanılması tercih edilen yöntemlerden biridir. Böylece enerji talebi temiz enerji kaynaklarından istifade edilerek kesintisiz olarak karşılanmış olur. Bu çalışmada, öncelikle hidrojenin elde edilmesi için güneş pillerini kullanan şebekeden bağımsız bir yakıt pili-güneş pili hibrit sisteminin benzetimi yapılarak, farklı yükler için analizi yapılmıştır. Daha sonra evsel uygulamalar için geliştirilen ve şebekeden bağımsız çalışan bir yakıt pili-güneş pili hibrit sisteminin prototipi gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen bu sistemde güneş enerjisinin yeterli olduğu zamanlarda, yükün enerji talebi PV sistem tarafından karşılanmaktadır. Güneş ışığının yetersiz olduğu gündüz saatlerinde ve gece boyunca ise yakıt pili devreye girerek sistemin kesintisiz olarak çalışabilmesi sağlanmıştır. Deneysel çalışmada, yük olarak farklı güçlerde lambalar kullanılmıştır. İnverter çıkış akım ve gerilimleri veri toplama cihazı ve LabVIEW arayüzü kullanılarak analiz edilmiştir. Matlab-Simulink'te deneysel sisteme ilişkin bir benzetim sistemi tasarlanmış ve benzetim sonuçları ile deneysel sonuçlar karşılaştırılarak hibrit sistemin yük analizi yapılmıştır.
Au/n-gaas metal yarıiletken kontakların optik özelliklerinin incelenmesi
Bu çalışmada, (111) yönelimli, 400 ?m kalınlığında, 1x1017cm-3 taşıyıcı yoğunluğuna sahip n-tipi GaAs yarıiletken üzerine metal buharlaştırma metodu ile Au/n-GaAs yapılar oluşturuldu. Oda sıcaklığında karanlık ve aydınlıkta akım-gerilim (I-V) karakteristikleri, karanlıkta 10 KHz -1,2 MHz aralığındaki frekansa bağımlı sığa-gerilim (C-V) karakteristikleri incelendi. C-V ölçümlerinden arayüzey durum yoğunluğu değerleri hesaplandı ve frekansa bağlı olarak azaldığı görüldü. Hazırlanan bu yapıların 80K-380K sıcaklık aralığında akım-gerilim (I-V) özellikleri incelendi, idealite faktörü n, Schottky engel yüksekliği ?B ve diğer bazı diyot parametreleri hesaplandı. Oda sıcaklığında engel yüksekliği 0,644 eV, idealite faktörü ise 1,86 olarak bulundu. Sıcaklık artışıyla idealite faktörünün azaldığı, engel yüksekliğinin ise arttığı gözlendi. Ayrıca 1 MHz frekansta yukarıda belirtilen sıcaklık aralığında sıcaklığa bağlı sığa-gerilim (C-V) özellikleri incelendi. Bu verilerden difüzyon potansiyeli VD, engel yüksekliği ?B, verici atomların yoğunluğu ND, tüketim tabakası genişliği WD hesaplandı. Oda sıcaklığında engel yüksekliği 0,91 eV olarak bulundu. Işık kaynağı kullanılarak farklı ışık kaynağı çıkış güçlerinde 5-250 W aralığında akım-gerilim (I-V) ölçümleri yapıldı. Bu ölçümlerden elde edilen veriler kullanılarak güneş pili parametreleri hesaplandı. Işık kaynağından 250 W' lık çıkış gücü için doluluk faktörü 68,90 ve verim % 12,20 olarak bulundu. Schottky diyotların engel yüksekliği, idealite faktörleri farklı dalgaboylarına sahip ışık filtreleri kullanılarak 50-250 W aralığında beş farklı ışık şiddeti için hesaplandı. Engel yükseklikleri ve idealite faktörlerinin ışık frekansı ile değiştiği gözlendi. 250 W çıkış gücü için tüm filtrelerde güneş pili parametreleri incelendi.
GaInP ve InGaAs kuantum kuyulu güneş pillerinin (QWSC) üretimi
Bu tez çalışması kapsamında, GaInP ve InGaAs kuantum kuyulu güneş pili (QWSC) yapıları GaAs alttaşlar üzerine, Moleküler Demet Epitaksi (MBE) yöntemi kullanılarak büyütüldü. Büyütülen QWSC yapıları birçok parçaya kesilerek, bazı parçalar farklı sıcaklıklarda hızlı termal tavlama (RTA) sistemi yardımıyla azot (N2) ortamında, tavlandı. Tavlanan ve tavlanmayan yapıların, yüksek çözünürlüklü X-ışınları difraksiyonu (HRXRD) ile yapısal özellikleri incelendi. Tavlama sonucunda oluşan kusurların, yapıların büyüme koşulları, kalınlıkları, indiyum oranları gibi farklı özelliklere sahip olmasına atfedildi. Tavlanmış ve tavlanmamış QWSC'lerin fabrikasyonu tamamlanarak, güneş pili için önemli olan ileri beslem karanlık, ve AM1.5G standart ışık şiddeti altında akım-gerilim (I-V) ölçümleri yapıldı. I-V ölçümleri sonucunda GaInP ve InGaAs QWSC'lerin kısa devre akımları (Isc), açık devre gerilimlari (Voc), dolum çarpanları (FF), enerji dönüşüm verimleri (?) bulundu. Tavlama işleminden önce GaInP ve InGaAs QWSC'lerin verimi 0,14 iken, tavlamadan sonra verimlerin sırasıyla 0,16 ve 0,15 olduğu görüldü ve tavlama işleminin pil verimini attırdığı sonucuna varıldı.