Güneş pillerinde kullanılan ZnO, CdS, CdSe ve PbS ince filmlerin kimyasal banyo biriktirme yöntemi ile üretilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Modern dünyanın en temel ihtiyacı enerjidir. Ekonomik, siyasi ve coğrafi faktörler, enerji arzının güvenliği ve sürekliliğini tarih boyunca etkilemiş ve etkilemeye devam etmektedir. Bu durum fosil yakıtlara alternatif olabilecek teknolojilere olan ilgiyi artırmıştır. Güneş enerjisi, alternatif enerji kaynakları arasında sürdürülebilir ve çevre dostu bir seçenek olarak öne çıkar. Uygulanabilirliği, bağımsızlığı ve uzun ömürlü olması gibi üstün özelliklere sahiptir. Bu çalışmada, güneş pillerinin yanı sıra çeşitli optoelektronik cihazlar, lazer diyotlar, piezoelektrik dönüştürücüler, gaz ve nem sensör uygulamaları gibi geniş kullanım alanına sahip yarıiletken ince filmler Kimyasal Banyo Biriktirme (KBB) yöntemi ile üretildi. II-VI grubu yarıiletkenlerden çinko oksit (ZnO), kadmiyum sülfür (CdS) ve kadmiyum selenyum (CdSe), IV-VI grubu yarıiletkenlerden ise kurşun sülfür (PbS) araştırılmıştır. ZnO ince filmlerin üretimi sırasında inhibitör olarak sodyum tiyosülfat (Na2S2O3), CdS ince filmlerin üretimi sırasında ise sodyum sülfit (Na2SO3) kullanılmıştır. PbS ince filmler üretilirken çözelti sıcaklıkları 20°C’den 0°C’ye düşürülmüştür. CdSe ince filmleri kimyasal banyo biriktirme yöntemi ile üretilirken kadmiyum klorür (CdCl2), Etilen diamin tetra asetik asit (EDTA), amonyak (NH3), selenourea (CSe(NH2)2) ve Na2SO3 ilk kez bir arada kullanılmıştır. Üretilen filmlerin optik, yapısal ve morfolojik özellikleri sırası ile UV-vis, FTIR, XRD ve SEM analizleri yapılarak incelenmiştir. ZnO ince filmleri üretilirken inhibitör olarak Na2S2O3 kullanılmasının, üretilen ince filmlerin geçirgenlik değerlerinde ve enerji bant aralıklarında önemli bir artışa neden olduğu, kristal yapıdaki safsızlıkları giderdiği ve kullanılan inhibitör miktarı arttıkça film yüzeylerindeki nano çiçeklerin azaldığı sonucuna varılmıştır. CdS ince filmleri üretilirken, Na2SO3’in inhibitör olarak kullanılması filmlerin kristal yapısının kübik fazdan altıgen faza kaymasına, filmlerin enerji bant aralılarının 2.35 eV’den 2.49 eV’ye yükselmesine ve altıgen yapıda elde edilen filmlerin yüzey pürüzlülük değerlerinde azalmaya neden olmuştur. CdSe ince filmlerin üretiminde kullanılan yöntem, altıgen yapıya sahip CdSe ince filmlerin oda sıcaklığında ve tavlamaya ihtiyaç duymadan üretilebileceğini göstermiş, cam tabanlara iyi yapışan deliksiz ve çatlaksız ince filmler oldukça kısa biriktirme sürelerinde üretilmiştir. Ayrıca optik ölçümlerden elde edilen veriler kullanılan Na2SO3 miktarının optimize edilmesiyle filmlerin soğurma ve geçirgenlik değerlerinin kontrol edilebileceği sonucuna ulaşmamıza neden olmuştur. PbS ince filmler üretilirken çözelti sıcaklığının düşürülmesi kristalit boyutlarının azalmasına, yüzey pürüzlülüğünün artmasına neden olmuştur. XRD sonuçları 10 ve 15 ℃’de elde edilen filmlerin pik şiddetlerinin diğer filmlere göre daha yüksek olduğunu, SEM görüntüleri ise 10 ℃’de üretilen film yüzeyinde delik ve çatlaklar olmadığını göstermiştir.

The most basic need of the modern world is energy. Economic, political, and geographical factors have affected and continue to affect the security and continuity of energy supply throughout history. This situation has increased interest in technologies that could be alternatives to fossil fuels. Solar energy stands out as a sustainable and environmentally friendly option among alternative energy sources. It has superior features such as applicability, independence, and longevity. In this study, semiconductor thin films, which have a wide range of uses such as solar cells, various optoelectronic devices, laser diodes, piezoelectric transducers, gas, and humidity sensor applications, were produced by the Chemical Bath Deposition (CBD) method. Zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS) and cadmium selenium (CdSe) from group II-VI semiconductors, and lead sulfide (PbS) from group IV-VI semiconductors were investigated. Sodium thiosulfate (Na2S2O3) was used as an inhibitor during the production of ZnO thin films, and sodium sulfite (Na2SO3) was used as an inhibitor during the production of CdS thin films. While producing PbS thin films, solution temperatures were reduced from 20°C to 0°C. While CdSe thin films were produced by the chemical bath deposition method, cadmium chloride, EDTA, ammonia, selenourea (CSe(NH2)2) and sodium sulfite were used together for the first time. The optical, structural and morphological properties of the produced films were examined by UV-vis, FTIR, XRD and SEM analyses, respectively. It has been concluded that using Na2S2O3 as an inhibitor when producing ZnO thin films causes a significant increase in the absorbance values and energy band gaps of the produced thin films and removes impurities in the crystal structure. Additionally, it was observed that as the amount of inhibitor used increased, the nano flowers on the film surfaces decreased. While producing CdS thin films, the use of Na2SO3 as an inhibitor caused the crystal structure of the films to shift from the cubic phase to the hexagonal phase, the energy band gaps of the films increased from 2.35 eV to 2.49 eV, and caused a decrease in the surface roughness values of the films obtained in the hexagonal structure. The method used in the production of CdSe thin films has shown that CdSe thin films with hexagonal structure can be produced at room temperature and without the need for annealing. Thin films without pinholes or cracks that adhere well to glass substrates were produced in very short deposition times. In addition, the data obtained from optical measurements led us to conclude that the absorption and permeability values of the films can be controlled by optimizing the amount of Na2SO3 used. While producing PbS thin films, decreasing the solution temperature caused the crystallite sizes to decrease and the surface roughness to increase. XRD results showed that the peak intensities of the films obtained at 10 and 15 ℃ were higher than the other films, and SEM images showed that there were no pinholes and cracks on the surface of the film produced at 10 ℃.