Implementation of strong light-matter interaction for fabrication and light management of thin crystal silicon solar cells
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mikro ve Nanoteknoloji Anabilim Dalı, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2021
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: MONA ZOLFAGHARI BORRA
Danışman: ALPAN BEK
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Fotonik bileşenlerin elektriksel elemanlarla aynı silisyum çip üzerinde entegrasyonu, yeni teknolojilerin geliştirilmesine yol açabilir. Bir sınırlama, kısıtlı olan dilim yüzeyindeki mevcut alandır. Halihazırda, geleneksel üretim teknikleri, yalnızca dilimin en ince tabakası üzerinde cihazlar üretmektedir. Sonuç olarak, yeni mimari tasarımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Yüzeylere zarar vermeden Si'nin derinliklerinde fonksiyonel bileşenler üretmek, elektronik fotonik entegrasyondaki alan kısıtlamasının üstesinden gelmek için potansiyel bir tekniktir, çünkü Si dilimin büyük kısmı bu yöntemle kullanılabilir. Camlar ve polimerler gibi farklı şeffaf malzemelerde lazerle yazılmış cihazlar gösterilmiştir. Yüksek yoğunluklu lazer darbeleri, odaklanıldığında doğrusal olmayan bir bozulmaya neden olabilir ve malzemenin etkileşim alanın morfolojisini değiştirebilir. Bu yöntem, optic ara bağlantılar, optik dalga kılavuzları ve kuantum fotonik aygıtlar dahil olmak üzere çok çeşitli cihazları üretebilir. Ancak benzer teknikler Si'de başarılı olamamıştır. Si'nin derinliklerinde çok kontrollü değişiklikler yaratmak için doğrusal olmayan etkileri kullanarak Si içinde benzer bir etkinleştirme tekniği geliştirdik. Son zamanlarda, kristal silisyum (c-Si) dilimlerin içindeki yüksek kaliteli üç boyutlu (3B) yüzeyaltının doğrudan lazer modifikasyonu, çok disiplinli araştırma alanlarında çeşitli yeni uygulamaların kapılarını açar. İstenen 3B yapıları ortaya çıkarmak için c-Si'nin lazerle yüzeyaltı işlemesini takip eden genellikle özel olarak geliştirilmiş bir seçici ıslak kimyasal aşındırma adımı gerekir. Geri kalan işlenmemiş Si yüzeylerini pürüzsüz özelliklere sahip bırakan böyle seçici bir aşındırıcının uygun şekilde geliştirilmesi, mikro ve nano ölçekli sonraki uygulamalar için kritik öneme sahiptir. Yüzey altı lazerle işlenmiş Si'nin pratik olarak faydalı aşındırma hızı, aşındırma seçiciliği ve nihai yüzey morfolojisinin elde edilmesi esastır ve yine de aşındırıcı kompozisyon yoluyla bu yönlerin karmaşık şekilde birbirlerine bağımlılığı nedeniyle oldukça karmaşıktır. Ayrıca, yarı iletken mikro işlemede iyi kabul edilen aşındırma hızı ve seçicilik tanımları, literatürde yalnız 2B'de yüzey aşındırma için geçerlidir. Kristalli yarı iletkenlerin lazerle işlenmesi yeni gelişen bir teknik olduğundan, aşındırma kalınlığı/zamanının uygulanabilir bir ölçü olmadığı yerlerde aşındırma, yüzeyin altında 3B gerçekleştiğinden hem aşındırma hızının hem de seçiciliğin yeniden tanımlanmasına ihtiyaç vardır. Burada, yüksek aşındırma hızında büyük ölçüde pürüzsüz yüzeyler ile hem yüzey hem de yüzey altı lazerle işlenmiş Si'nin seçici olarak aşındıran bakır nitrat bazlı yeni bir krom (Cr) içermeyen kimyasal aşındırma tarifinin geliştirilmesini rapor ediyoruz. Sonuçlar, aşındırma hızının ve yüzey morfolojisinin birbiriyle ilişkili olduğunu ve kabul edilen aşındırma çözeltisinin bileşiminden büyük ölçüde etkilendiğini göstermektedir. Oda sıcaklığında yapılan kapsamlı bir kompozisyon çalışmasından sonra, 100 ml solüsyonda HF:HNO3:CH3COOH:H2O – 56:65:72:207 (% hacim) ve 1 g Cu(NO3)2.3H2O bileşimi ile aşındırıcı geliştirmeyi başardık. Bu şampiyon aşındırıcı, değiştirilmemiş Si'ye göre lazerle modifiye edilmiş Si için 1600'den fazla seçicilik sergiler. Yüzey kusur analizinin aşındırma çukuru boyutu dağılımı 1 – 10 µm aralığında olup, görece pürüzsüz ve düşük kusurlu yüzey elde edildiğini gösterir. Aşındırıcının uygulama potansiyelini göstermek için, ince soğurucu (absorber) dilimler üzerinde c-Si güneş pilleri, minimum Si malzemesi kaybıyla üretildi.