Bakır çinko kalay sülfat CZT(S,Se) için güneş pili uygulamaları

Tükettiğimiz kaynaklarının sonsuz olmadığının ve çevreye verilen hasarın bu hızla devam ettiği takdirde dünyanın geçireceği değişimlerin büyük felaketlere yol açacağının farkına varılması, insanlığı sürdürülebilir yaşam şekline sevk etti. Geri dönüşüm politikaları, tüketim çılgınlığının önüne geçme isteği gibi alternatif enerji kaynakları da bu önlem arayışlarının içinde. Sürdürülebilir enerji kaynakları uzun süredir bilim dünyasının masasında olsa da konvansiyonel metotların yerini almakta biraz zorlanıyorlar. Bunun içindeki en büyük sebeplerden biri de, bu yeni gelişen metotların fizibilitesinin cezbedici düzeylerde parlamıyor oluşu. Zamanla azalan performanslar ya da pahalı teknolojiler sürdürülebilir enerji politikasının en büyük ayak bağları halinde. Yenilenebilir enerjinin popüler adaylarından biri olan güneş enerjisi de bu pahalılıktan etkilenenler arasında. Günümüzün artan teknolojik çeşitliliğiyle aynı malzemeleri paylaşan (LED ekranlar, dokunmatik telefonlar, çipler, vb) güneş enerjisinin hammadde pahalılığında etkilenmesi araştırmacıları alternatif malzemeler bulmaya itmiştir. Güneş enerjisi sistemlerinin pazar payını elinde tutan silikon güneş pilleri, yalnızca pahalanan malzemeler alanında değil kırılgan yapısıyla da yalnızca büyük ölçeklerde kullanışlı görülmektedir. Güneş pillerini her ölçüye ve şekle sığdırabilmek amacına hizmet eden ince film teknolojileri ise bu yarışta silikon güneş pillerinin verimliliğini yakalama çabası içerisindedir. Bu yarışta pek çok malzeme ön plana çıktı ama inorganik piller arasında dayanım gücü ve hali hazırda Pazar piyasasındaki CIGS pillerine benzerliğiyle popülerleşen ve umut vadeden CZTS bu çalışmanın konusu olarak ele alınmıştır. Son yıllarda alternatif güneş pilli malzemeleri için yapılan yoğun çalışmalarda CZTS de yerini almış durumda. İnce film güneş pilleri için kullanılan bakır (Cu), çinko (Zn), kalay (Sn), sülfür (S) içeren dörtlü bileşik yapıdaki CZTS; yeryüzünde bolca bulunan elementler içermesi, zehirli madde içermemesi ve bolluğu sebebiyle düşük maliyetlere sahip olması gibi özellikleriyle öne çıkan bir araştırma konusu oluşturuyor. Güneş pillerinin soğurucu tabakasında kullanılan CZTS bileşiği, yapı olarak CIGS ve CIS malzemelerine benzemektedir. Ancak CIGS, CIS gibi bileşikler vakumlu üretim sistemlerine dayalıyken, CZTS'nin şimdiye kadarki en yüksek verimli formasyonu çözelti bazlı bir yöntemle üretilmiştir. Bu da zaten ucuz olan malzemenin üretim maliyetlerini de düşürerek CZTS'nin önemini arttırıyor. Çözelti kullanarak ürettiğimiz CZTS bileşiği için, bakır, çinko, kalay ve sülfür başlangıç malzemeleri kullanıldı. Bu elementler için seçilen malzemeler oleylamine içerisinde çözdürüldü. Oleylamin bu çalışmada sadece bir çözücü olarak değil aynı zamanda reaksiyon gerçekleşmesini sağlayan yüzey aktif madde olarak da kullanıldı. Üretilen CZTS yıkamayla oleylaminden arındırıldıktan sonra tolüen içerisinde daha sonra kullanılmak üzere muhafaza edildi. Güneş pili cihaz yapısında tampon malzeme olarak kullanılacak olan CdS, kimyasal banyo metoduyla örnekler üzerine kaplanmıştır. Kadmiyum ve sülfür için kullanılan kadmiyum asetat ve thiourea başlangıç malzemeleri amonyakla pH düzeyi ayarlanmış saf su içerisinde çözülerek sıcaklık artışıyla aktive edildi. Çözelti içerisine daldırılan numuneler başarıyla CdS filmi oluşturmuştur. Cihazın n tipi malzemesini oluşturacak olan çinko oksit (ZnO) tabakası da laboratuvar koşullarında üretilmiştir. Çinko asetat metanol içerisinde çözülerek kullanılmıştır, oksitleyici olarak potasyum hidroksit peletleri yine metanol içerisinde çözüldü. Reaksiyonun ardından yıkama aşamalarından geçirilerek ZnO tozu elde edildi. ZnO parçacıkları daha sonra kullanılmak üzere metanol içerisinde saklandı. Cihaz yapısı için substrat yüzey olarak molibden kaplanmış cam tercih edildi. Yüzeydeki molibden elektrot görevi göreceğinden bir kısmı bantla kapatılarak çıplak kalması sağlandı. CZTS kaplama metodu olarak sprey kaplama tercih edildi. Sprey kaplama metoduyla oluşturulan filmler 330 oC'de 1 saat tavlamaya bırakıldı. Tavlama bittikten sonra yüzey düzleştirme amacıyla numuneler bir kere de spin kaplama yöntemiyle CZTS kaplandı ve tekrar 330 oC'de 1 saat tavlandı. Kimyasal banyo metoduyla, kimyasal banyoya daldırılan CZTS numuneleri CdS ile kaplandı. Kaplaması tamamlanan numuneler deiyonize su ile yıkanarak temizlendi ve azot tabancasıyla kurutuldu. CdS kaplanmış olan numuneler, sprey kaplama yöntemi kullanılarak ZnO tabakası ile kaplandı. Kuruması tamamlanan Mo/CZTS/CdS/ZnO yapıdaki numuneler, maskeler yardımıyla termal evaporatöre bağlandı ve karşı elektrot olarak kullanılacak olan alüminyum tabaka ile kaplandı. Maskeler elektrot şekline göre tasarlandığı için numunelerin tamamı kaplanmaktan korundu. Aşama aşama hazırlanan film numuneleri her aşamada test edilerek ilerlendi. Karakterizasyon testleri yapılarak (XRD, EDX, Transmittance) doğruluğu tespit edilen ve çalışabilecek numuneler yönünde ilerlendi. Mo/CZTS/CdS formasyonu n tipi malzemeye geçiş yapılmadan önce termal kaplama ile elektrotlandı ve akım-potansiyel karakteristikleri test edildi. Diyodik çalışma yapısı tespit edilen numunelerde ilerleme kararı alınarak n tipi malzeme denemelerine geçildi. Son olarak hazırlanan numunelerin, ışık altında ve karanlıkta akım-potansiyel karakteristikleri ölçüldü. Numunelerin güneş piline uygun ve çalışır yapıları tespit edildi. Verim yükseltmek için yapılabilecek çalışmalar hakkında fikir yürütme ve öneriler yapıldı. Nihai olarak bu tez çalışması, güneş pilleri için popüler malzemeler arasında bulunan CZTS malzemesini üretmiş, karakterize etmiş ve çalışır bir yapılandırmada test etmiştir. Tespit edilen önemli noktalar belirtilerek dikkat çekildi. CZTS'yi fotovoltaik formuna tamamlayan malzemeler de üretilerek karakterize edildi ve CZTS ile uyumlu halde kullanımına dair önemli noktalara dikkat çekildi. Üretilen pil numuneleri güneş simülatörü ile test edilerek çalışılabilirliği ispat edildi.