Synthesis and characterization of sbse thin films for photovoltaic applications

Bu tez çalışmasında fotovoltaik uygulamalar için alternatif bir soğurucu tabaka olan antimon selenyumun (Sb2Se3) sentezi ve karakterizasyonu araştırılmıştır. Sb2Se3 ince filmlerinin sentezi, soda kireç camı (SLG) ve molibden kaplı SLG (SLG/Mo) alttaşlar üzerine RF magnetron sıçratma yöntemiyle ile Sb metalik öncül filmin biriktirilmesini ve ardından bu filmlerin tek bölgeli bir tüp fırın içerisinde selenizasyonunu içermektedir. Sb büyümesi için sıçratma koşullarının optimizasyonundan sonra, öncül film kalınlığı, selenizasyon sıcaklığı, selenizasyon süresinin sentezlenen Sb2Se3 ince filmlerin morfoloji ve yapısı üzerindeki etkileri çeşitli tekniklerle araştırılmıştır. XRD ve Raman analizine göre, SLG üzerine biriktirilmiş 500 nm film kalınlığı için optimum selenizasyon süresinin 150 dakika ve optimum selenizasyon sıcaklığının 250 ℃ olduğu anlaşılmıştır. Ancak, selenizasyon sıcaklığı değiştirilmezken, XRD ve Raman analizlerine göre SLG/Mo üzerine biriktirilmiş 500 nm film kalınlığı için optimum selenizasyon süresi 180 dakikaya çıkarılması gerektiği anlaşılmıştır. Bu numunelerin Raman ve XRD verileri ortorombik Sb2Se3 yapısı ile tamamen eşleşmektedir. Selenlenmiş kalın örneklerin (SLG ve SLG/Mo üzerine 500 nm Sb ince film) yüzey morfolojileri SEM ile incelendiğinde örneklerin yüzeyinde yatay rod benzeri yapıların olduğu görülmüştür. Tamamen selenlenmiş, yan fazlar içermeyen kalın örneğin FIB-SEM ile elde edilmiş kesit görüntüsü incelendiğinde, bu yatay rod benzeri yapının bütün bir kesitte değil, sadece örneğin yüzeyinde olduğu belirlenmiştir. Ayrıca örnek kalınlığının, öncül film kalınlığı olan 500 nm'den 790 nm'ye aşırı arttığı gözlemlenmiştir. Soğurucu tabaka kalınlığının fazla olması yük taşıyıcıların karşı eletroda ulaşma olasılığını azaltacağından dolayı öncül film kalınlığı 250 nm'ye düşürülerek selenizasyon deneyleri optimize edilmiştir. XRD analizi ile SLG üzerinde biriktirilmiş 250 nm kalınlığındaki film için optimum selenizasyon süresinin 150 dk ve optimum selenizasyon sıcaklığı 250 ℃ olduğu anlaşılmıştır. XRD ve Raman analizlerine göre SLG/Mo üzerine biriktirilmiş 250 nm Sb ince filmler için selenizasyon süresi 150 dk ve selenizasyon sıcaklığı 250 ℃ olarak optimize edilmiştir. SEM ile yüzey morfolojileri incelenen ince Sb2Se3 örneklerin kalın Sb2Se3 örneklere kıyasla dikey yönelimli rod benzeri tanelere sahip olduğu görüldü. Beklenildiği üzere, morfolojideki bu değişiklikler, örneklerin XRD desenlerinden elde edilen I(211) / I(002) ve I(221) / I(002) pik oranlarındaki değişikliklere yansımaktadır. SLG alttaş üzerine hazırlanmış örneklerin yapsında elementel olarak bir kusur bulunmadığı ve SLG/Mo alttaş üzerine hazırlanmış örneklerin kalınlık profilinde Mo elementinin atomik konsantrasyonu artarken, Sb ve Se elementlerinin atomik konsantrosyonunun azaldığı XPS ile belirlenmiştir. Tam selenizasyonu sağlanmış örneklerin atomik birleşme oranları EDS ile belirlenmiş olup, sitokiyometrik olarak Sb2Se3 yapısına en yakın örneğin SLG/Mo alttaş üzerine hazırlanmış ince örneğin olduğu görülmüştür. Tam selenizasyonu sağlamış ince ve kalın örneklerin optik bantları 1.53 eV olarak PL ile belirlenmiştir. Bu sonuçlara göre, günes hücresi mimarisinde kullanılacak olan, SLG/Mo alttaşlar üzerinde istenilen Sb2Se3 yapısını oluşturmak için iki aşamalı sentez kullanılarak, uygun Sb öncül film kalınlığı ve selenizasyon koşulları belirlenmiş oldu.