Dünyada artan nüfus ile beraber büyüyen enerji ihtiyacı “terawatt (TW) mertebelerinde”, mevcut fosil enerji kaynakları ile karşılanamaz hale gelmiştir. Bu artarak devam eden ihtiyacın karşılanabilmesi için, güneş pili teknolojisinin çok daha anlamlı kullanım yaygınlığına ulaşması gerekmekte ve bunun da gerçekleştirilebilmesi için güneş pilini oluşturan malzemeler,
- Doğada bol miktarda bulunmalı,
- Düşük maliyette olmalı,
- Toksik olmamalı
- Güneş pilini oluştururken kullanılacak teknik en iyi verimi sağlayacak özelliklere sahip olmalıdır.
Güneş pilinde kullanılan, Arsenik, Kadmiyum, Germanyum, İndiyum ve Tellur gibi malzemeler, hem pahalı hem de toksik oldukları için, güneş pillerinin potansiyelini sınırlandırmaktadır. Bu durum, Cu2ZnSnS4 (CZTS) malzemesinin, düşük maliyette olması, bileşenlerinin doğada bol miktarda bulunması, gelecek vadetmesi ve toksik olmaması açısından ucuz, temiz ve yüksek enerjideki güneş pilleri için bu malzemeyi önemli hale getirmiştir. Bu nedenle, %12,6’lık verime sahip CZTS ince film güneş pilleri, doğada nadir bulunan In ve toksik olan Se elementlerinden oluşan ve %21,7’lik verime sahip CuInxGa(1-x)Se2 (CIGS) malzemesine alternatif olarak düşünülmektedir.
Bu projede, Ag nanoparçacıkları tarafından CZTS ince film güneş pilinde oluşacak plasmonik etki ile verimde artış ortaya konacaktır. Hemen hemen benzer özelliklere sahip CIGS ince film güneş pillerinde ara yüzeyde plasmonik çalışmalar yapılmış olup güneş pili veriminde artış gözlemlenmiştir. Ancak, CZTS güneş pillerinde ara yüzey plasmonik çalışma yapılmadığı literatürden bilinmektedir. Bu kalkojenit CIGS ve CZTS ince filmler benzer kristal yapısına, elektronik band yapısına ve yüksek soğurma katsayısına sahiptir. Bu ifadeyle, bu proje CIGS güneş pillerinde plasmonik etkiyle gözlemlenen verim artışının benzerinin, CZTS güneş pillerinde de gözlemleneceğini savunulmaktadır.
PLD Tekniği İle İnce Film Güneş Pilini Üretimi:
Çalışmalarımızda PLD ince film kaplama tekniği mobil bir sistemdir, şuanki çalışmalarımız nanosaniye laser laboratuvarında yürütülmekte olup gerekli görülmesi halinde sistem femtosaniye laser laboratuvarına da taşınabilmektedir. PLD sistemi, ana hatları ile; bir lazer, bir vakum çemberi, bir hedef ve bir alt tabakadan oluşmaktadır. Hedeften ablasyon yoluyla malzeme sökülerek oluşturulan buhar demeti, alt tabaka üzerine yoğunlaşmakta ve ince film oluşturulmaktadır. Ablasyon ya bir vakum ortamında ya da düşük basınçlı bir asal gaz veya reaktif atmosfer şartlarında gerçekleştirilmektedir. Basit ve ana hatlarıyla tasarlanarak üretilmiş olan deney sisteminde uygun bir lazer seçimi, hedefin özelliklerine bağlıdır ve lazer ışını hedef tarafından iyi soğurulmalıdır. PLD tekniğinin gereksinim duyduğu tipik puls akısı 0,1-10 J/cm2 civarındadır.
Şekil 1. Laboratuarımızda mevcut olan ve projede kullanılacak olan PLD-vakum sistemi ve diğer tüm bileşenleri görülmektedir.
Uniform ablasyonun elde edilmesi için hedef belirli bir hızla sürekli olarak döndürülmektedir. Hedef ile alt tabaka arasındaki uzaklık, plasma demetinin uzunluğuna uygun olarak ayarlanabilmektedir ve bu uzaklık 2,5-10 cm esneklikle optimum bölgeyi içermektedir. Film kalınlığındaki homojenlik alt tabaka tutucuyla hedef tutucu birbirine göre bağıl hızlar ile döndürülerek sağlanabilmektedir. Bu amaçla, hedef ve alt tabaka tutucuları birer step motorla sürülmektedir ve dakikada 1-100 devir yapacak şekilde ayarlanabilir özelliğe sahiptir.
Alt tabaka sıcaklığı, ince filmin morfolojisini ve mikro yapısını etkilemektedir. Alt tabaka sıcaklığı bir kontrol sistemiyle sürekli kontrol edilebilme imkânı sağlamaktadır. Alt tabaka, 4-1000 °C arasında sıcaklık değerlerine ısıtabilecek, (soğutulabilecek) şekilde tasarlanmıştır ve sıcaklığın kontrol altında tutulabilmesi için de soğutma sistemi kullanılmaktadır. Suyla soğutma sistemi 40 ° C değerine kadar soğutabilmektedir (Durmuş ve Kılıç, 2016).
Kılıç, H.Ş., Durmuş, H., Yeni Bir Puls Laser Depozisyon (PLD) Sistemi: Tasarımı, Üretimi ve Uygulamaları, 2016, Selçuk Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Teknik Online Dergisi.
