OPTIMIZATION OF CBD-CdS PROCESS FOR Cu(In,Ga)Se2 MONOGRAIN LAYER SOLAR CELLS
Cu(In,Ga)Se2 Tek Taneli Katman Güneş Pilleri için CBD-CdS işleminin Optimizasyonu
- Tez No: 965568
- Danışmanlar: DR. MARİT KAUK-KUUSİK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Tallınn Unıversıty Of Technology
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Dünya genelinde kurulu güneş enerjisi santrallerinin toplam kapasitesi, küresel enerji talebine yanıt verebilmek amacıyla her yıl artmaktadır. Bu nedenle, güneş pili teknolojisi, dönüşüm verimliliğini her geçen gün artırarak yenilenebilir enerji sektörünün giderek daha önemli bir parçası hâline gelmektedir. Öte yandan, ince film güneş pilleri, üretim maliyeti ve dönüşüm verimliliği açısından silikon bazlı güneş pili teknolojisi (birinci nesil güneş pilleri) ile rekabet ederek, küresel güneş enerjisi pazarında önemli bir paya sahiptir. Tallinn Teknoloji Üniversitesi'nde son on yıllarda üzerinde çalışılan tek taneli katman güneş pili, bazı yapısal katmanlar bakımından geleneksel ince film güneş pillerinden farklılık göstermektedir; ancak yine de birkaç aşamada aynı üretim yöntemleri kullanılarak işlevsel ince katmanlardan oluşmaktadır. Bu nedenle, bu yüksek lisans tezinin konusu olan Cu(In,Ga)Se2 tek taneli katman güneş pilleri, ikinci nesil ince film güneş pili teknolojisi kategorisine dâhil edilebilir. Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe), yüksek soğurma katsayısı, ayarlanabilir enerji bant aralığı, düşük radyasyon hasarı ve uzun vadeli kararlılığı sayesinde en umut verici yarı iletkenlerden biri olarak öne çıkmaktadır. 2019 yılında Solar Frontier tarafından CIGSe tabanlı güneş pillerinde %23,35 verimlilik elde edilmiştir [1]. Yüksek verimli CIGSe güneş pilleri genellikle kimyasal banyo biriktirme (CBD) yöntemiyle biriktirilmiş bir CdS tampon katmanı içerir [2]. Bu katmanın rolü, soğurucu (absorber) katman ile pencere katmanı arasındaki elektronik, yapısal ve kimyasal uyumu sağlamaktır. CBD yöntemi, düşük maliyetli, düşük sıcaklıklı ve geniş yüzeylere uygulanabilen oldukça basit bir yöntem olarak bilinmektedir. Ayrıca bu yöntemle farklı altlıklar üzerine film biriktirmek mümkündür. Birçok çalışmada, CdS katmanının tavlanmasının hücre performansını artırdığı gösterilmiştir. Bu verimlilik artışının çeşitli nedenleri öne sürülmüştür: CdS safsızlığının ısıl işlem sonrasında azalması [2], tavlama sonrası yüzey oksidasyonunun gözlenmesi [3] ve yapısal değişimlerin (örneğin kübik ve hegzagonal CdS yapıları arasındaki dönüşüm) meydana gelmesi. Ancak, artan verimliliğin esas olarak CdO tabakasının oluşumundan ziyade Cd difüzyonundan kaynaklandığı öne sürülmektedir [4]. Bu çalışmada, öncelikle beş farklı kadmiyum kaynağı, 55°C'de farklı sürelerde tek taneli soğurucu ince film üzerinde denenmiş ve bunların kalınlıkları ile CdS tampon yapısının tanecik katmanlı (MGL) güneş pili performansına etkisi karşılaştırılmıştır. CdS'nin mikroyapısı ve farklı kadmiyum kaynaklarından biriktirilmiş her bir tampon katmanın ortalama kalınlığı, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak karakterize edilmiştir. Daha sonra, farklı tampon katmanlara sahip güneş pillerinin temel özelliklerini değerlendirmek için akım-gerilim (I–V) ölçümleri yapılmıştır. İlk deneysel analizlerin ardından, kimyasal banyoda kadmiyum kaynağı olarak kadmiyum sülfat seçilmiş ve bu kaynakla tavlama (post-annealing) deneyleri gerçekleştirilmiştir. Tezin ikinci bölümünde, CdS/Cu(In,Ga)Se2 sisteminin havada tavlanmasının, tek taneli katmanlı güneş pillerinin performansına etkisi sistematik olarak incelenmiştir. CdS ile kaplanmış CIGSe toz kristalleri, 150–300°C arasındaki sıcaklıklarda farklı sürelerde hava ortamında tavlanmıştır. Oda sıcaklığında (RT) Raman ve fotolüminesans (RT-PL) spektroskopisi, CdS tampon katmanının yapısal veya optik özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri incelemek için kullanılmıştır. Ayrıca, XPS (X-ışını fotoelektron spektroskopisi) ile CdS yüzeyinin ve heteroeklem ara yüzeyinin kimyasal bileşimi üzerindeki hava tavlamasının etkisi analiz edilmiştir. Bu tez üç ana bölümden oluşmaktadır: - Birinci bölüm (Giriş): Çalışmanın genel çerçevesi ve amacı. - İkinci bölüm (Literatür Özeti): Güneş pillerinin teorisi, fotovoltaiklerin tarihsel gelişimi ve soğurucu/tampon katman özelliklerinin genel bir özeti. - Üçüncü bölüm (Deneysel ve Tartışma Bölümü): - Farklı Cd kaynaklarının CdS filmlerinin özellikleri ve güneş pili performansına etkilerinin sonuçları. - CdS/Cu(In,Ga)Se2 sisteminin tavlama sonrası deneylerinin sonuçları. Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe)tanecik ( monograin) katmanlı güneş pilleri, ince film güneş pili teknolojisi (ikinci nesil güneş pilleri) kategorisine dâhil edilebilir. Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe), yüksek soğurma katsayısı, ayarlanabilir bant aralığı, düşük radyasyon hasarı ve uzun süreli kararlılığı sayesinde en umut verici yarı iletkenlerden biri olarak öne çıkmaktadır. CIGSe tabanlı güneş pilleri için en yüksek verimlilik %23,35, 2019 yılında Solar Frontier tarafından elde edilmiştir [1]. Yüksek verimli CIGSe güneş pilleri genellikle kimyasal banyo biriktirme (CBD) yöntemiyle biriktirilmiş CdS tampon katmanları içerir [2].Bu tabakanın rolü, emici ve pencere tabakası arasında elektronik, yapısal ve kimyasal ayarlamadır. CBD'nin, geniş bir alana uyum sağlayan, düşük maliyetli ve düşük sıcaklığa sahip çok basit bir yöntem olduğu bilinmektedir. Ek olarak, filmler CBD tekniği ile çeşitli alt tabakalara biriktirilebilir. Birçok çalışmada, CdS katmanının tavlanmasıyla (ısıl işlem uygulanmasıyla) hücre performansının arttığı gösterilmiştir. Bu performans artışı, farklı sebeplerle açıklanmıştır: CdS katmanındaki safsızlıkların ısıl işlemle azalması [2], tavlama sonrası yüzey oksidasyonunun gözlemlenmesi [3] ve yapısal dönüşümlerin (örneğin kübik CdS yapısından hegzagonal CdS yapısına geçiş) meydana gelmesi. Ancak, artan verimliliğin esas olarak Cd difüzyonundan kaynaklandığı, CdO tabakasının oluşumundan ziyade Cd difüzyonunun verimlilik artışının ana nedeni olduğu öne sürülmektedir [4]. Bu çalışmada, öncelikle beş farklı kadmiyum kaynağı, 55 °C'de farklı sürelerde tek taneli zarlar üzerinde test edilmiştir. Bu testler, hem CdS katmanının kalınlığını hem de tampon tabakanın monograin katmanlı güneş pili (MGL) performansına etkisini karşılaştırmak amacıyla yapılmıştır. CdS'nin mikroyapısı ve her bir farklı kadmiyum kaynağından biriktirilen tampon tabakaların ortalama kalınlıkları, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak analiz edilmiştir. Ardından, farklı tampon katmanlara sahip güneş hücrelerinin temel özelliklerini değerlendirmek için akım- gerilim ölçümleri (l-lV) gerçekleştirildi. İlk incelemelerden sonra, kimyasal banyoda kadmiyum kaynağı olarak kadmiyum sülfat seçilmiş ve bu kaynak kullanılarak tavlama (post-annealing) deneyleri yürütülmüştür. Tezin ikinci kısmında, CdS/Cu(In,Ga)Se2 sisteminin havada tavlanmasının monograin katmanlı güneş pillerinin performansına etkisi sistematik olarak incelenmiştir. CdS ile kaplanmış CIGSe toz kristalleri, 150–300 °C arasında farklı sürelerde hava ortamında tavlanmıştır. Oda sıcaklığında (RT) yapılan Raman ve fotolüminesans (RT-PL) spektroskopisi, CdS tampon tabakasının yapısal veya optik özelliklerinde herhangi bir değişiklik olup olmadığını belirtmek için kullanıldı. XPS, hava (Oksijenli) ile yapılan tavlanmanın CdS yüzeyinin kimyasal bileşimi ve heterojunksiyon arayüzü üzerindeki etkisini incelemek için kullanıldı. Bu tez üç ana başlıktan oluşmaktadır. Giriş bölümünün ardından, güneş pili teorisi, fotovoltaiklerin tarihsel gelişimi, ve soğurucu ve tampon katmanlarının özellikleri verilmiştir. Deneysel kısımda CdS tampon karmanı ile birlikte kullanılan CIGSe soğurucu taneciklerin toz kristal halindeki sentezleme parametreleri kısaca verilmiştir. Üçüncü bölüm farklı kadmiyum (Cd) kaynaklarının CdS tampon katmanı üzerindeki ve güneş pili performansı üzerindeki etkilerini tartışan iki kısma ayrılır. İkinci kısımda CdS/Cu(In, Ga)Se2 tane katmanlı güneş pilimde CdS katmanına uygulanan farklı ısıl tavlama işlemlerinin etkileri sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Cumulative capacity of globally installed solar power plants is increasing each year in order to respond the world's energy demand. Therefore, solar cell technology is going to be a more important part of the renewable energy sector as increasing its conversion efficiency day by day. On the other hand, thin-film solar cells share an important percentage of global solar energy market as competing in production price and conversion efficiency with Silicon-based solar cell technology (the first generation solar cells). Monograin layer solar cell, which has been studied in Tallinn University of Technology in last decades, is different than traditional thin film solar cell in some structural layers but it is also made up of thin layers of functional materials as using the same manufacturing methods in the several steps. Thus, the Cu(In,Ga)Se2 monograin layer solar cells, that are the focus of this master thesis, can be classified under the thin-film solar cell technology (the second generation solar cells). Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) is highlighted as being one of the most promising semiconductors owing high absorption coefficient, tunable bandgap, low radiation damage, and long-term stability. The highest efficiency 23.35 % for CIGSe-based solar cells have been achieved by Solar Frontier at 2019 [1]. The high-efficiency CIGSe solar cells normally have included a CdS buffer layer deposited by a chemical bath deposition (CBD) technique [2]. The role of this layer is electronical, structural and chemical adjustment between the absorber and window layer. CBD is known to be a very simple method with low price and low temperature, adjusting to a large area. Additionally, the films can be deposited on various substrates with the CBD technique. It is shown in several studies that by annealing of CdS layer, the cell performance is improved. The efficiency improvements have been attributed to different reasons: impurity of CdS is reduced after heat treatment [2], surface oxidation after annealing is previously observed [3], also structural changes have been proposed (transformation between cubic and hexagonal CdS structure). However, it is suggested that the Cd diffusion is the main cause for the increased efficiency rather than the formation of CdO layer [4]. In this study, firstly five different Cd sources were experimented on the monograin membranes at 55 °C for different times, in order to compare their thickness and also the effect of buffer structure on the monograin layer (MGL) solar cell performance. The microstructure of CdS on monograins and the evolution of average thickness of each buffer layer deposited from a different 10 cadmium source were characterized by SEM. Then after, the current-voltage measurements (I-V) were performed to evaluate the main characteristics of solar cells with different buffer layers. After first investigations, the cadmium sulfate as a source of cadmium in CBD was selected for the post-annealing experiments. In the second part of thesis, the effect of post-annealing of CdS/Cu(In,Ga)Se2 in air was systematically investigated on the performance of monograin layer solar cells. CIGSe powder crystals covered with CdS were post-annealed in an air environment at temperatures between 150 - 300 oC for different time periods. Room- temperature (RT) Raman and photoluminescence spectroscopy (RT-PL) were used to identify any change in structural or optical properties of CdS buffer layer. XPS was used to study the air-annealing effect on the chemical composition of the surface of the CdS and on the heterojunction interface. This thesis is divided into three main chapters. Following the introduction, the literature review includes an overview of the theory and principles of solar cell and the historical progression of photovoltaics, also a summary of absorber and buffer layer properties. The experimental part briefly describes the synthesis of monograin powders and gives an overview of parameters, which were used for CdS buffer layer deposition and for post-treatment experiments. The third part is divided into two sections of which first includes the results and discussion of the effect of different Cd sources on the CdS films properties and solar cell performance. In the second section, the results of the CdS/Cu(In,Ga)Se2 post-annealing experiments are presented.
Benzer Tezler
- Cu2ZnSnS4 ince film güneş hücrelerinin geliştirilmesi
Development of Cu2ZnSnS4 thin film solar cells
NESLİHAN AKÇAY
Doktora
Türkçe
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN ÖZÇELİK
- Yumuşak jelatin kapsül ile kanabidiol içeren kenevir tohumu yağı uygulaması için polikaprolakton modifiye salım sistemi geliştirilmesi
Development of a polycaprolactone modified release system for application of hemp seed oil containing cannabidiol with soft gelatin capsule
EMRE FATİH EDİZ
Doktora
Türkçe
2023
Mühendislik BilimleriNecmettin Erbakan ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELTEM DEMİREL KARS
DR. ÖĞR. ÜYESİ KEMAL ÇETİN
- On disentangled representation learning
Ayrışık gösterim öğrenme üzerine
HAZAL MOĞULTAY ÖZCAN
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ TUNAY YARMAN VURAL
PROF. DR. SİNAN KALKAN
- Analysing traffic network parameters after implementing one-way method: Hatay, Dörtyol case study
Tek yön uygulaması sonrasından trafik ağı durum değerlendirmesi: Hatay, Dörtyol örneği
NIMA ALIZADEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Trafikİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ OSMAN ATAHAN
- Karbon kaynaklı malzeme katkılı beton harcının fiziksel ve kimyasal özelliklerinin araştırılması: bir deneysel tasarım tabanlı çok yanıtlı optimizasyon uygulaması
Investigation of the physical and chemical properties of carbon-based material additive cement mortar: an experimental design-based multi-response optimization application
HALUK KORUCU
Doktora
Türkçe
2019
Kimya MühendisliğiÇankırı Karatekin ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET YARTAŞI
DOÇ. DR. BARIŞ ŞİMŞEK