GÜNEŞ PİLLERİNİN RADYASYON KARŞISINDAKİ DAVRANIŞI

GÜNEŞ PİLLERİNİN RADYASYON KARŞISINDAKİ DAVRANIŞI
ÖZET
Teknolojinin gelişmesi ile beraber enerji ihtiyacının artışı, alternatif enerji
kaynaklarına ilgiyi artırmıştır. Bu konuda günümüzde ilgi çeken çalışma konuları
arasındaki p-tipi kalkoprit yapıdaki bakır-indiyum-galyum-diselenit CuInxGa(1-x)Se2
(CIGS) ince film güneş pilleri, fotovoltaik enerji dönüşümü ile foton enerjisini
elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlardır.
Literatürde, CIGS ince film güneş pillerindeki CIGS soğurucu katman, yüksek
vakum gerektiren termal buharlaştırma, darbeli elektron büyütme, metalorganik
kimyasal buharlaştırma ile kaplama (MOCVD), moleküler demet epitaksi (MBE) ve
darbeli lazerle büyütme (PLD) gibi birçok farklı yöntemle üretilebilmektedir. Fakat
bu çalışmada, literatürde detayları belirtilmemiş, farklı ve özgün bir reçete
kullanılarak hazırlanan CIGS ince filmler, sol-jel daldırarak kaplama tekniği ile
ekonomik bir şekilde büyütülmüştür.
Bu tez çalışmasında, CIGS ince filmler, bazı üretim parametreleri değiştirilerek,
farklı tavlama sürelerinde, farklı kalınlıklarda, farklı at.% SeO2 konsantrasyonunda,
farklı daldırma hızlarında ve farklı selenyum kayanakları kullanılarak,
büyütülmüştür. XRD, SEM, FTIR, XRF, AFM, UV görünür bölge spektroskopisi,
PL ve 4’lü prop direnç ölçümleri alınarak, en iyi yapısal, optik ve elektriksel
özellikleri gösteren CIGS ince filmlerin üretilmesi hedeflenmiştir. Ayrıca, CIGS ince
filmler, reaktör nötronlarına ve Co-60 radyoizotopuna maruz bırakılarak, filmlerin,
iyonizan radyasyon karşısındaki davranışları test edilmiş ve elektriksel özelliklerinde
oluşan değişimler incelenerek, uzay ve havacılık teknolojisi uygulamalarında
kullanımının artırılması amaçlanmıştır.
Bu doktora tez çalışmasının, ilk kısmında ultra ince CIGS ince filmleri büyütebilmek
için, selenyum kaynağı olarak SeO2 bileşiği kullanılıp, CIGS çözeltisi
sentezlenmiştir. Öncelikle, sol-jel daldırarak kaplama tekniği kullanılarak hazırlanan
CIGS ince filmlerde, tavlama süresinin kristalit yapı üzerine etkisini incelemek
amacıyla, bu ince filmler, 200°C sıcaklıkta, dört farklı sürede (15, 30, 45 ve 60 dk)
tavlanmışlardır. 60 dk’lık sürede, 200°C’de tavlanan CIGS ince filmlerin, en iyi
yapısal ve optik özelliklere sahip olduğu görülmüştür. Bu tez çalışmasının ikinci
kısmında, farklı at.% SeO2 konsantrasyonlarında, CIGS çözeltileri sentezlenmiştir.
Sol-jel daldırarak kaplama yöntemi kullanılarak üretilen CIGS ince filmlerde, en
uygun at.% SeO2 konsantrasyonunun, at.% 20,22 SeO2 konsantrasyonu olduğu
belirlenmiştir. Fakat nötronlara maruz bırakılan, at.% 50 SeO2 konsantrasyonundaki
CIGS ince filmlerin, yapısal performansındaki değişimlere bağlı olarak, bu
konsantrasyondaki CIGS ince filmlerin, optik ve elektriksel davranışlarındaki
gelişimler sonucunda, nötronlar ile yapılan çalışmalarda, at.% 50 SeO2
konsantrasyonunun, sol-jel yöntemiyle oluşturulan CIGS ince filmler için daha
uygun olduğu belirlenmiştir.
i
Bu doktora tez çalışmasında yapılan araştırmalar arasında, her bir katı etüvde
işlemden geçirilen ve böylece, kat ve kat üst üste daldırılarak büyütülen CIGS ince
filmlerin farklı daldırma sayılarında, yapısal, optik, elektriksel özellikleri
incelenmiştir. 11 kat daldırılarak büyütülen CIGS ince filmlerin (kalınlığı 300 nm),
optik geçirgenlik ve yansıtıcılık değişimlerine bağlı olarak, en uygun optik
soğurmayı verdiği belirlenmiştir. Ayrıca, bu üretim parametrelerinde oluşturulan,
CIGS ince filmlerin, elektrik direncinin azalmasına bağlı olarak, elektriksel
iletkenliğinin arttığı görülmüştür. Bu tez çalışmasının diğer bir kısmında ise, sol-jel
daldırarak kaplama esnasında, daldırma hızı değiştirilerek, CIGS ince filmler
büyütülmüş ve 200 mm/dak’lık daldırma hızında, daldırılarak hazırlanan CIGS ince
filmlerin, en uygun optik ve yapısal özelliklerde gelişme gösterdiği belirlenmiştir.
Bu doktora tez çalışmasındaki, nötronlarla yapılan işlemlerde, farklı % SeO2
konsantrasyonlarında sentezlenen, ve farklı tavlama sürelerinde tavlanan, CIGS ince
filmler, nötronlara maruz bırakılmıştır. Reaktör nötronlarına maruz bırakılan, at. %50
SeO2 konsantrasyonundaki CIGS ince filmlerin, 60 dk süresince,  200 °C’de
tavlandığında, en uygun yapısal, optik ve elektriksel özellikleri gösterdiği
belirlenmiştir. Nötronlarla CIGS yapının etkileşimi, sonucu optik geçirgenlik ve
yansıma değerleri azalarak, optik soğurma değeri ve elektriksel iletkenliği
yükselmiştir.
CIGS ince filmler, farklı kalınlıklarda kaplandıktan sonra, üç farklı dozda, Co-60
radyoizotopuna maruz bırakılarak, yapısal, optik ve eletriksel özelliklerinde oluşan
değişimler incelenmiştir. Co-60 radyoizotopi ile ışınlanan CIGS ince filmlerde,
iyonizan radyasyonun etkisiyle, filmlerin optik yansıtıcılık ve geçirgenlik özellikleri
değiştirilerek, optik soğurma özelliği artmıştır. 0,02 , 0,03 ve 0,05 Gy olmak üzere,
üç farklı dozda gama ışınlarına maruz bırakılan CIGS ince filmlerdeki, optik ve
elektriksel özelliklerde, gelişme olduğu belirlenmiştir. 11 kat kaplanan ve 0,05
Gy’lik dozda, Co-60 radyoizotopuna maruz bırakılan CIGS ince filmlerin en iyi
kristalit yapı, optik ve eletriksel özellikleri gösterdiği belirlenmiştir. Kaplama sayısı
artırılmış ve daha sonra gama ışınlarına maruz bırakılmış CIGS ince filmlerde,
yüzeysel elektrik direnci azalırken, film tabaka sayısının artmasıyla, gama
radyasyonu zayıflatma katsayısının arttığı tespit edilmiştir. Gama radyasyonu için
doğrusal zayıflatma katsayısı, 0,662 MeV (Cs-137 radyoizotopundan yayınlanan) ve
~ 1,25 MeV (Co-60 radyoizotoplarından yayınlanan) olmak üzere, iki farklı gama
foton enerjisinde değerlendirilmiştir. Cs-137 radyoizotopu kullanılarak yapılan gama
geçirgenlik testlerinde, 11 kat kaplanmış CIGS ince filmlerin en yüksek lineer
zayıflatma katsayısı değerine, 0,05 Gy’lik doza maruz kalmış ince filmlerde
ulaşılmıştır. Benzer şekilde, Co-60 radyoizotopu kullanılarak yapılan gama
geçirgenlik testlerinde, 11 kat kaplanmış ve ışınlanmış CIGS ince filmlerin en
yüksek doğrusal zayıflatma katsayısı değeri, 0,05 Gy’lik doza maruz kalmış ince
filmlerdedir.
CIGS ince film güneş pilleri, CIGS çözeltisinde, Se kaynağı olarak toz Se elementi
içeren pratik bir yöntem kullanılarak üretilmiştir. CIGS ince filmler, kalkoprit
yapıda, p-tipi soğurucu tabaka olarak kullanıma uygun hale getirilmiştir. CIGS ince
film güneş pilinde, yasak enerji bant aralığı 2,3 eV olan n-tipi CdS, tampon tabaka,
kimyasal banyo yığma yöntemi ile büyütülmüştür. CdS üzerine kaplanan şeffaf
ZnO:Al tabaka, sol-jel daldırma tekniği kullanılarak, 3,2 eV yasak enerji bant
aralığında üretilmiştir. Bu konfigürasyonda hazırlanan CIGS ince film güneş
pillerinin, aydınlık (100W/cm2) ve karanlık ortamda alınan akım-gerilim
ölçümlerinden yola çıkarak, karanlıktaki idealite faktörü n=33,78, aydınlıkta ki
ii
idealite faktörü n=1,5 olarak hesaplanmıştır. CIGS heteroeklemine ait idealite
faktörünün, UV ışığı altındaki değerinin, karanlık akımdan daha düşük olduğu
belirlenmiştir. CIGS ince film güneş pili oluşturmak amacıyla, SLSG (soda kireç
silikat cam) /Mo /CIGS /CdS /ZnO:Al /Al konfigürasyonuna sahip CIGS ince film
güneş pilleri, sol-jel daldırma tekniği kullanılarak % 0.2 verimlilikte ekonomik ve
çevre ile dostu bir şekilde üretilmiştir. Ayrıca hazırlanan CIGS ince filmlerin
radyasyon karşısındaki dayanımı, CIGS ince film güneş pillerinin uzay ve havacılık
uygulamalarında ve yüksek irtifalı uçaklarda kullanımının uygun olabileceği tespit
edilmiştir.
iii
4