Cu2Zn(Sn:Ge)S4 ve Cu2Zn(Sn:Si)S4 soğurucu ince filmlerin üretilmesi ve karakterizasyonu

Fotovoltaikler güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlardır. Bu dönüşüm sayesinde güneş pili çalışmaları hız kazanmıştır ancak güneş pilleri ile üretilen elektrik üretimin maliyetinin yüksek olması ince film yarıiletkenlerin kullanılmasını arttırmıştır. İnce filmler, atom veya molekülün, kaplanacağı yüzeye ayrı ayrı dizilerek birkaç μm kalınlığında oluşan filmlerdir. Son zamanlarda, kalkojen ince filmlere kıyasla, doğada bol bulunması, toksik malzeme içermemesi 1.4-1.5 eV direkt bant aralığına ve 104 cm-1 gibi yüksek bir soğurma katsayısına sahip olmasından dolayı CZTS ince filmleri tercih edilmektedir. Bu çalışmanın amacı CZTS ince filmleri üretilirken (özellikle Sn yerine) yeni elementlerin etkisini deneysel ve teorik olarak ele alıp detaylı incelemektir. Yapılan çalışmada, Sn atomlarını Si ve Ge atomları ile yer değiştirmemizdeki amaç Cu2Zn(Sn:Si)S4 ve Cu2Zn(Sn:Ge)S4'deki üretim maliyetini azaltmak ve ışığın absorbsiyonunu artırmaktır. Cu2Zn(Sn:Si)S4 ve Cu2Zn(Sn:Ge)S4 ince filmleri PV sistemlerde daha etkin kullanılabilmesi amacıyla, dönel kaplama yöntemi ile Cu2Zn(Sn:Si)S4 ve Cu2Zn(Sn:Ge)S4 filmleri camlar üzerine oluşturulmuştur. Farklı ikame oranları (x=0, 0,25, 0,50, 0,75 ve 1) ve farklı H2S (30 ve 40 ccm) oranları ile oluşturulan Cu2Zn(Sn:Si)S4 ve Cu2Zn(Sn:Ge)S4 ince filmlerin yapısal, morfolojik ve optik özelliklerinin, üretim koşullarına bağlı değişimleri incelenmiştir. Oluşturulan ince filmlerin optik özellikleri ultraviyole ve görünür ışık absorbsiyon spektroskopisi (UV-VIS), yapısal özellikleri X ışını kırınımı (XRD) ve Raman spektroskopisi, morfolojik özellikleri ise Taramalı elektron mikroskobu (SEM), ve Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile araştırılmıştır. Yapılan çalışmada, Ge'nin CZTS yapısına ikamesi ile filmlerin kristal boyutunun 32.15 ve 33.53 nm'den 15.67 ve 22.82 nm'ye düştüğü, daha fazla Ge ikamesinden sonra Cu2ZnGeS4 ince filmler için 36.39 ve 28.34 nm'ye kadar arttığı, ayrıca Cu2ZnGeS4 ince filmlerinin dislokasyon yoğunluğunun ve mikro gerinim değerlerinin ters özellikte olduğu belirlenmiştir. Örneklerin Raman spektrumları, yapılara Ge içeriği ekleyerek mavi kaymalı kesterit yapıların oluşumunu kanıtlamıştır. SEM görüntüleri, 30 ccm Ar:H2S akışı altında tavlanan film yüzeylerinin 40 ccm Ar:H2S akışı altında tavlanan film yüzeyine göre daha homojen olduğunu göstermiştir. SEM görüntülerinden elde edilen bulgular AFM görüntüleri ile doğrulanmıştır. CZTS ince filmlerinin optik bant aralığının Ge içeriği ile 1.53 eV'den 2.05 eV'ye yükseldiği görülmüştür. Si'nin CZTS yapısına ikamesi, XRD analizinde pikin ana tepe noktasında 28.52°'den 28.61°'ye bir kayma ile sonuçlandığını ve merkezin kristal boyutunu keskin bir şekilde azaltarak hem dislokasyon yoğunluğunu hem de gerinim değerlerini arttırdığını göstermiştir. Ayrıca Raman spektrumları ile ikincil fazların olmadığı da gözlemlenmiştir. SEM görüntülerinde, Cu2ZnSnS4 ve Cu2ZnSiS4 kristalitlerinin, ince film numunelerinin yüzeyi boyunca üniform olarak dağıldığı görülmüştür. Ayrıca Cu2ZnSiS4 örneğinin yüzeyinde, Cu2ZnSnS4 yüzeyine göre çok daha fazla ve küçük aglomerasyon olduğu belirlenmiştir. UV-vis ölçümleri, CZTS yapısındaki Si içeriğinin artmasıyla optik bant aralığında 1.51'den 3.22 eV'ye doğru bir artış ortaya çıkarmıştır. Sonuçlar, CZTS ince filmlerinin optik bant aralığının, herhangi bir ikincil faz elde etmeden yapıya Si ikamesi ile değiştirilebileceğini göstermiştir. Çalışma sonucunda, geleneksel CZTS yapılarına kıyasla Si ve Ge ikamesinin, daha yüksek bant aralıklı yarı iletkene ihtiyaç duyan çeşitli uygulamalarda kullanılabileceği gösterilmiştir.