Search

Fotovoltaik etkinin keşfedilmesi ile güneş enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülebilir hale gelmiştir. Yapılan araştırmalar ve geliştirilen sistemler ile güneş enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları arasında ilk sıralara yerleşmiştir. Fotovoltaik hücrenin çevrim veriminin arttırılması için maliyetlerin düşürülmesi veya üretim verimlerinin arttırılması gerekmektedir. Kullanılan inorganik yarıiletken tarafından sınırlandırılan bu koşulları aşabilmek için farklı tasarım ve malzeme kullanımı yoluna gidilmiştir. Organik yarıiletkenlerin kullanıldığı esnek yapıda cihazların tasarımı, nanoyapılardan oluşan hücreler ve organik–inorganik bileşenlerin beraber kullanılması ile her iki malzemenin avantajlarının bir araya getirilmesi fikirleri ağırlık kazanmıştır. Yarıiletken malzemelerin fotovoltaik etki gösterdiğinin keşfi ile başlayan süreçte en çok çalışılan fotovoltaik malzeme silisyum olmuştur. İlk modern güneş pili ise 1954 Si tek kristalinden p–n eklem oluşturarak yapılmış ve %6'lık verim elde edilmiştir. Bu süreçte silisyum yarıiletkeninin özelliklerinin geliştirilmesi, farklı yarıiletken bileşikler oluşturulması, fotovoltaik hücrenin eklem yapısının geliştirilmesi gibi farklı alanlarda ilerleyen çalışmalar güneş pillerinin sınıflandırılmasına sebep olmuştur. Bu sınıflandırma;•I. Nesil güneş pilleri; tek kristal c-Si güneş pilleri,•II. Nesil güneş pilleri; a-Si, kadmiyum tellür (CdTe), bakır indiyum galyum diselenid (CIGS) ve ince film kristal silisyum güneş pilleri•III. Nesil güneş pilleri; Organik güneş pilleri, boyar madde güneş pilleri •IV. Nesil güneş pilleri; Hibrit heteroeklemler güneş pilleri şeklinde yapılmıştır.İnorganik yarıiletkenlerin nanoyapılardan oluşan ince filmler şeklinde büyütülmesi ince filmin tüm özelliklerini değiştirmektedir. Bu amaca yönelik uygulamalardan bir tanesi yarıiletkenin şekilli ince film (ŞİF) olarak büyütülmesidir. ŞİF'ler, nanoyapılı olduklarından elektriksel ve optik özellikleri açısından farklılıklar göstermektedir. ŞİF'lerin kolonsal yapıları filmin gözenekliliğinin yüksek olmasına ve geniş yüzey alanına sahip olmasına sebep olmaktadır. Bu sayede ışık filmin daha iç kısımlarına kadar sızarak film içindeki absorbsiyonu ve saçılmayı arttırarak ışık ile oluşan yük taşıyıcılarının artmasını sağlar. Organik yarıiletkenler ise alternatif malzeme arayışlarında ortaya çıkan düşük maliyet, kolay uygulanabilirlik, hafiflik, esnek yapıları ve esnek yüzeylere uygulanabilirliği gibi özellikleri ile fotovoltaik hücrelere farklılıklar getirmiş olan malzemelerdir. Organik yarıiletkenler düşük maliyetle, istenilen özelliklerde geliştirilebilme ve kolay üretilebilmeleri açısından fotovoltaik hücrelere farklı bir bakış açısı kazandırmıştır. Organik yarıiletkenin altlık malzemesi ile uyumu, hazırlama tekniği, çevresel faktörlere dayanıklılık cihazın verimini doğrudan etkilemektedir. Bu parametrelerin kontrolü ve daha iyi anlaşılması ile özelliklerin istenilen yönde geliştirilebilmesine olanak sağlar. Organik ve inorganik yarıiletkenlerin avantajlı oldukları özellikleri birleştirecek bir fotovoltaik hücre tasarımı bu tez çalışmasının ana amaçlarından biridir. Şekilli ince filmler, birçok fiziksel buhar biriktirme tekniği ile birleştirilebilen eğik açı ile biriktirme yöntemi ile hazırlanabilmektedir. Eğik açı ile biriktirme (GLAD) yönteminde sınırlı buhar geliş açısından altlığa belirli bir eğim açısı ve hareket sağlanarak ince filmin istenilen morfolojide büyümesi sağlanır. Bu tez çalışmasında, ŞİF'ler, GLAD yönteminin en verimli ve başarılı şekilde uygulanabildiği yöntemlerden biri olan elektron demeti fiziksel buhar biriktirme sistemi ile düz, eğik, zigzag ve spiral olmak üzere 4 farklı morfolojide üretilmiştir.Organik yarıiletken olarak seçilen CuPc, ftalosiyanin ailesine mensup yüksek aromatikliğe sahip makro halka şeklinde olan bir metal ftalosiyanindir. Ftalosiyaninler, fiziksel ve kimyasal buhar biriktirme yöntemleri kullanılarak ince filmler şeklinde büyütülebilir. En çok kullanılan yöntemler arasında vakum altında ısıtma yöntemleri, sol-jel, spin ve daldırma ile büyütme sayılabilir. Bu çalışmadan CuPc ince filmler kimyasal püskürtme yöntemi olarak adlandırılan kimyasal çöktürme tekniği ile büyütülmüştür. Kimyasal sprey püskürtme (CSP) yöntemi çözelti şeklinde hazırlanan malzemenin sıcak yüzeye belirli frekansta püskürtülmesi ile altlık yüzeyinde biriktirilerek ince filmin oluşturulması ilkesine dayanan bir tekniktir. CSP düşük maliyetli, kolay uygulanabilir, çözeltisi hazırlanabilen tüm malzemeler için kullanılabilir, katmanlı filmlerin kolaylıkla üretilebildiği düşük sıcaklıklarda çalışılabilen bir ince film büyütme yöntemidir. Kolay uygulanabilme gibi özellikleri de destekleyen bir yöntemdir. CuPc ince filmi kimyasal sprey püskürtme yöntemi ile ilk defa yine grubumuz tarafından yüksek lisans araştırması olarak çalışılmıştır. Edinilen bilgiler ışığında hibrit heteroeklemin organik yarıiletken kısmı için CuPc seçilerek kimyasal sprey püskürtme tekniği ile a-Si ŞİF'lerin üzerine yine ilk defa büyütülerek, bu çalışma kapsamında morfolojik ve yapısal özellikleri incelenmiştir. İnorganik ve organik yarıiletken filmlerin başarılı şekilde büyütülmesi ile oluşturulan p-CuPc/ŞİF a-Si hibrit heteroeklemin elektriksel ve fotovoltaik özellikleri incelenmiştir. a-Si ŞİF'ler sırası düz, eğik, zigzag ve spiral morfolojide c-Si, ITO kaplı cam ve Corning cam altlıklar üzerine büyütülmüştür. a-Si şekilli ince filmleri düz ve kolonsal yapı olarak iki farklı grupta sınıflanmıştır. Düz film homojen, sürekli ve yüzeyi pürüzlü yapıda iken; eğik, zigzag ve spiral filmler kolonsal yapıdadır. Benzer özelliklerde olan düzenli şekilde yerleşmiş kolonlardan oluşan filmler homojen, yüksek oranda gözeneklilik ve kolon boyları arasındaki farktan dolayı pürüzlü yüzey yapısındadırlar. XRD desen analizlerinde tüm filmlerin amorf yapıda olduğu belirlenmiştir. Kolonsal yapıdaki filmlerde dağılım pikinin daha belirgin hale geldiği görülmüştür. Nanokristal yapının arttığını gösteren bu durum Raman analizleri ile de desteklenmiştir. Kolonsal yapıdaki ince filmlerde, eğikten spiral yapıya doğru nano kristalinitenin güçlendiği, spiral şeklinde büyütülen filmlerin ise mikrokristalin yapıda oluştuğu belirlenmiştir. Optik incelemelerde kolonsal yapının ışığın sızma derinliğinde etkili olduğu, yansıma oranının azalarak absorbsiyonun arttığı belirlenmiştir. Kolonsal yapının sızma derinliğini, saçılmayı ve absorpsiyonu beklendiği gibi olumlu yönde etkilediği belirlenmiştir. Bu açıdan en yüksek absorbsiyona sahip olan film spiral a-Si ŞİF'tir. Hesaplanan optik yasak bant içerisinde en yüksek bant aralığı 2,16 eV ile spiral a-Si ŞİF için belirlenmiştir. a-Si ŞİF'lerin temas açıları incelendiğinde filmlerin gözeneklilik oranının artması kapiler etkiyi güçlendirerek temas açısı değerinin küçüldüğü ve hidrofilik özelliklerin iyileştirdiği belirlenmiştir. a-Si ŞİF/c-Si heteroeklemlerin arayüzeylerinde oluşan kusur ve düzensizlikler idealite faktörlerinin yüksek olmasına sebep olmuştur. Ancak bariyer yüksekliğinin film morfolojisine bağlı olarak azaldığı gözlenmiş, kısa devre akımının arttığı belirlenmiştir. SCLC ve düşük alan emisyon akım mekanizmalarının etkin olduğu belirlenmiştir. Nanokolonsal yapı ile artan yük taşıyıcısı sayısı fotovoltaik özellikleri iyileştirmiştir. Yine en yüksek fotoduyarlılık özelliklerinin spiral a-Si/c-Si heteroekleminde olduğu belirlenmiştir. Organik yarıiletken CuPc ince filminin a-Si ŞİF'ler üzerinde katmanlı bir yapıda büyüdüğü belirlenmiştir. Organik ince filmlerin büyüme aşamasında öncelikle yüzey–molekül etkileşimlerinin daha güçlü olmasından dolayı sürekli bir yapının oluştuğu, ardından molekül–molekül etkileşimlerinin baskın hale gelmesi ile bölgesel olarak farklı yapıların oluşmaya başladığı gözlenmiştir. Bu yapılar arasında çeşitli boyutlarda dropletler, dendritik yapı, nanoküme, mercan benzeri yapılar, kısmen kolonsal yapılar mevcuttur. CuPc ince filmin hidrofilik özelikler ile paralel olarak kolonlar arasına penetrasyonu da artmıştır. XRD analizlerinde CuPc ince filmlerinin amorf yapıda olduğu belirlenmiştir. Raman spektrumları incelendiğinde ise CuPc ince filme ait olan 20 adet pik belirlenmiştir. Hibrit heteroeklemin elektriksel özellikleri incelendiğinde ışığın kristalin Si–amorf Si eklemine kadar sızamadığı belirlenmiştir. Elde edilen sonuçların p-CuPc/a-Si ŞİF heteroekleminden elde edildiği belirlenmiş ve değerlendirmeler bu bilgi ışığında yapılmıştır. Kolonsal yapı devreye girerek bariyer yüksekliğini azaltmış, dolayısı ile de idealite faktörünü, doygunluk (saturasyon) akımının ve kısa devre akımının artmasına sebep olmuştur. Eklem dirençlerinin kolonsal yapıdaki gözenekliliğin artması ile azaldığı belirlenmiştir. SCLC akım mekanizması ve düşük alan emisyon mekanizmaları baskın akım mekanizmaları olarak belirlenmiştir. Organik yarıiletkenlerin kullanıldığı heteroeklemlerde SCLC baskın mekanizma olarak bilinmesine rağmen arayüzey yapısı ve oluşumuna bağlı olarak rekombinasyon ve tünelleme etkilerinin de gözlemlenebileceği bilinmektedir. Fotovoltaik özellikler incelendiğinde en yüksek kısa devre akımı CuPc/Zigzag a-Si ŞİF ekleminde elde edilirken en büyük açık devre gerilimi ve fotoduyarlılık CuPc/Spiral a-Si ŞİF ekleminde elde edilmiştir. Bütün olarak değerlendirildiğinde CuPc/Spiral a-Si ŞİF ekleminin fotovoltaik hücre olarak kullanım açısından en verimli olan yapıdır. Bu tez çalışması kapsamında hibrit heteroeklem olarak kullanılması amacı ile CuPc organik yarıiletkeni a-Si ŞİF'ler üzerine ilk defa büyütülmüştür. Organik yarıiletken filmin kalınlığının kontrol edilememesinde dolayı tasarlandığı şekilde ikili bir heteroeklem yapısı oluşturulamamıştır. Bu sebeple sadece CuPc/a-Si ŞİF heteroeklemi değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar incelenen heteroeklemin hibrit fotovoltaik hücre olarak kullanılması açısından gelecek vaat ettiğini göstermektedir. Organik yarıiletkenin daha kontrollü şekilde ince bir yapıda büyütülebilmesi, elektrik ve fotovoltaik ölçümlerin daha duyarlı sistemler kullanılarak araştırılması ile çalışmanın devam ettirilebileceği düşünülmektedir. Studies on clean energy sources have gained importance because of the environmental pollution related to the usage of fossil fuels, and ever increasing demand of energy with developing technology and industrialization. By the discovery of photovoltaic effect in 1905 idea of generating energy from sunlight became a realistic approach. Solar energy is now among the renewable energy sources allied with the researches and developed systems. The devices used for generating electrical energy from sunlight is named as photovoltaic cells or solar cells. Solar cells convert the light falling on the semiconductor into the electrical energy by photovoltaic effect. After the discovery of semiconductors that may exhibit photovoltaic effect, such as silicon, the first modern solar cell was made as p–n junctions by using single crystal silicon in 1954. This first cell had a 6% efficiency. Progressive studies on the development of the properties of silicon, the formation of different semiconductor compounds, and the development of the junction structure of photovoltaic cell led to classification of solar cells; •I. Generation solar cells; c-Si single crystal,•II. Generation solar cells; a-Si, cadmium tellür (CdTe), copper indium gallium diselenide (CIGS) and thin film solar cells, •III. Generation solar cells; dye sensitized solar cells •IV. Generation solar cells; organic–inorganic hybrid heterojunction Among these cells organic–inorganic hybrid heterojunction solar cells is a topic of research and development interest because of the possibility of increasing the cycle efficiency, reduce costs or increase the production efficiency. Other advantage of organic semiconductors is the possibility of designing them as flexible films.Nanostructured thin films have remarkable optical and electrical properties, which can be change with changing the morphology of the nanostructure. This type of thin films, which we used them in photovoltaic device, called sculptured thin films (STF). STFs are have significant electrical and optical properties due to their nanostructures and it has completely different physical and chemical properties compared to classical thin films and bulk material. STFs demonstrate high porosity and large surface area because of their columnar structure. In this way, the incident light diffuses the inner parts of the film and enhance the absorption. By the increasing the scattering the light in the film, number of photogenerated charge carriers increase. Thus one of the aims of this study is to produce junctions between crystalline and amorphous STF silicon and investigate its structure dependent photovoltaic performance.Organic semiconductors such as copper phytolocyanine (CuPc) provide a different perspective to photovoltaic cells in terms of their ability to be developed and produced easily with the desired properties at low cost. Thus the second aim of this study is to deposit CuPc on amorphous Si STF to produce efficient photovoltaic organic–inorganic hybrid heterojunctions STFs are deposited by glancing angle deposition (GLAD) which can be combined many. In this study, electron beam physical vapor deposition system is used to deposited a-Si STF, which is the most efficient and successful method for GLAD. We deposited 4 different type Si STF, as flat, slanted columnar, zigzag and helicoidal nanostructured. After investigation of the morphological, structural, optical properties and contact angle of these films, their electrical and photovoltaic properties as a-Si STF/c-Si heterojunction were determinded. CuPc is a metal phthalocyanine and selected as organic part of PV, which is a organic semiconductor in the form of a high aromatic molecule. Pc thin films can deposited physical and chemical vapor deposition methods. High vacuum heating methods, sol–gel, spin coating and dipping are the most commonly used methods for deposition. In this study, CuPc thin films were grown by chemical precipitation technique called chemical spray pyrolysis (CSP) method. CSP technique based on the principle of forming thin film by spraying the material prepared in solution form on the hot surface at a certain frequency by accumulating on the substrate surface. CSP is an ideal method for preparing thin films of organic semiconductors in terms of ease of application and low cost. Our group deposited CuPc thin films with CSP method for the first time, in a previous master thesis study. In the light of the information obtained, CuPc was selected the organic semiconductor part of the hybrid heterojunction and deposited on Si STF by CSP technique, first time by us. Morphological and structural properties of CuPc thin film were examined. Then, the electrical and photovoltaic properties of p-CuPc/a-Si STF hybrid heterojunctions were investigated. Flat, slanted columnar, zigzag and helicoidal STF are deposited on c-Si, ITO coated glass and Corning glass substrates. While flat film has homogeneous, continuous and rough surface; oblique, zigzag and helicoidal films are columnar in morphology. The films that consist of uniformly placed columns with similar properties are homogeneous, have high porosity and rough surface structure due to the difference between column lengths. All the films are amorphous as determined with XRD and supported with Raman spectroscopy. However, films with helicoidal structure exhibited a microcrystalline structure.From optical point view the highest absorbance was obtained for helicoidal STF. The highest optical band gap was also determined for helicoidal STF as 2,16 eV indicating a blue shift.STF also decreased the contact angle by the capillary effect, and improved the hydrophilic properties. Helicoidal STF has the minimum contact angle, as expected. During electrical measurements of a-Si STF/c-Si heterojunctions high ideality factors were obtained and this effect is attributed to the defects and irregularities at the interfaces. However, it was observed that the barrier height decreased and short circuit current increased due to film morphology indicating that SCLC and low field emission current were the effective mechanisms. The raising amount of the charge carriers with the columnar structure improved the photovoltaic properties. The highest photosensitivity properties were determined in helicoidal a-Si/c-Si heterojunction.In the growth phase of organic thin films, first a continuous structure was formed because of the stronger surface - molecule interactions, and then regionally different structures began to form with the dominance of molecular - molecule interactions. These morphologies includes droplets of various sizes, dendritic structure, nanocluster, coral-like structures, and partially colonial structures. Parallel to hydrophilicity of the STF substrates, the penetration of CuPc thin into the film is increased. When the electrical properties of hybrid heterojunction examined, it was found that the light could not reach the desired diffuse depth. In the light of this information, the results were evaluated as CuPc/a-Si STF heterojunction electrical and photovoltaic properties. With the improvement of columnar structure the barrier height was reduced which increased the ideal factor, saturation current and short circuit current. It was determined that junction resistances decreased with increasing porosity in columnar structure. SCLC current mechanism and low field emission mechanisms have been identified as dominant current mechanisms. Although SCLC is known as the dominant mechanism in heterojunction using organic semiconductors, it is known that recombination and tunneling effects may be observed due to its interface structure and formation. The highest short circuit current was obtained in CuPc/Zigzag a-Si STF junction, while the largest open circuit voltage and photosensitivity were obtained in CuPc/Helicoidal a-Si STF junction. When evaluated as a whole, we can say that CuPc/Helicoidal a-Si STF junction has the most efficient results in terms of its use as a photovoltaic cell.In this research, CuPc organic semiconductor has been deposited on Si STF to order to use as hybrid heterojunction photovoltaic, for the first time by our group. Because of the inability to control the thickness of the organic semiconductor film, a dual heterojunction structure could not be formed as hypothesized. For this reason, only p-CuPc/a-Si STF heterojunction was evaluated. The results show that the heterojunction examined with a controlled thickness is a promising approach for hybrid photovoltaic cells. 187

Plazma destekli kimyasal buhar biriktirme (PECVD) yöntemiyle hidrojenlenmiş amorf silisyum (a-Si:H) katkılanmamış tabakanın p- ve n-tipi katkılanmış hidrojenlenmiş nanokristal silisyum (nc-Si:H) tabakalar arasında üretilmesiyle elde edilmiş olan p-i-n diyotun elektriksel özellikleri incelenmiştir. Akım-gerilim ölçümleriyle diyottaki eklemleri oluşturan yapıların kaliteleri hakkında fikir sahibi olunmuştur. Diyot ideallik faktörü, doğrultma faktörü ve akımın gerilime göre üstel davranışı p-i-n eklem yapısının standart kalitede olduğunu göstermiştir. Yarıiletken malzemelerdeki kusur seviyeleri hakkında nicel bilgi sunan admitans yöntemi, p-i-n diyot yapısında ileri besleme altında kullanılmıştır. Sığa-frekans-gerilim tayfında gözlenmiş olan negatif sığa etkisi makul bir eşdeğer devre ile matematiksel olarak MATLAB yazılımında altprogram yapısı kullanılarak modellenmiştir. Negatif sığa etkisinin eşdeğer devrede bobin kullanılarak benzetim yapılabildiği gösterilmiştir. Aynı zamanda, başarılı bir benzetim için eşdeğer empedans değerine yüklenmesi gereken frekans bağımlılığı AC hopping iletimi ile bağdaştırılmıştır. The electrical properties of the p-i-n diode, obtained by producing hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) undoped layer between p- and n-type doped hydrogenated nanocrystalline silicon (nc-Si:H) by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), were investigated. By means of current-voltage measurements, an idea about the qualities of the structures that make up the junctions in the diode was obtained. The diode ideality factor, the rectification factor, and the exponential behavior of the current with respect to stress have been shown to be the standard quality of the p-i-n joint structure. The admittance method, which provides quantitative information about the defect levels in semiconductor materials, has been used under forward bias in the p-i-n diode structure. The negative capacitance effect observed in the capacitance-frequency spectrum is modeled using a mathematical subprogram structure in MATLAB software with a reasonable equivalent circuit. It has been shown that the negative capacitance effect can be simulated using the coil in the equivalent circuit. At the same time, the frequency dependency, which must be loaded into equivalent impedance for a successful simulation, is correlated with AC hopping conduction. 65

Güneş pili endüstrisinde liderliğini koruyan kristal silisyum güneş pillerinin bir çeşidi olan a-Si:H/c-Si heteroeklemden oluşan HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) güneş pilleri 1990'lardan yüksek eneji dönüşüm verim değerleriden dolayı büyük ilgi çekmiştir. Üretimin düşük sıcaklıklarda (T

Çağdaş iletişim teknolojisi, iki temel bölümle tanımlanabilir: bir yanda mikroişleyiciler (microprocessors), öteyandan da çevre birimleri (insan-makina ara yüzünü oluşturan giriş ve çıkış birimleri). Mikroişlemcilerin gelişmesi tek kristal silisyum üzerinde gitgide minyatürleşen tümdevrelerle sürerken, giriş-çıkış birimleri büyük boyutlu kalarak geliştiriliyorlar. Klavye, yazıcı, belge okuyucu ve kopyalayıcı, elektronik gösterim gibi birimlerden oluşan çevre birimlerinin gerektirdiği teknoloji, geniş yüzeyli mikroelektronik teknolojisi diye adlandırılmaktadır. Bunun için gerekli 20-25cm boyutlarında elektronik malzeme, ancak ince film biçiminde elde edilebilir ve giderek ucuz taban üzerinde elde edilebildiği ölçüde de kabuledilebilir maliyette üretilebilirler.Bilindiği gibi, yarıiletkenleri, aygıt üretiminin temeli yapan özelliklerinin başında, iletimi sağlayan serbest elektrik yükü taşıyıcılarının, hem türlerinin (n yada p) hem de miktarlarının denetimli biçimde ayarlanabiliyor olması yatmaktadır. Oysa amorf silisyum (a-Si) filmler, önlenemez sarkık bağlı yapılarından dolayı, yasak enerji aralığı ortalarına doğru 1020 cm-3eV-1 gibi yüksek yoğunlukta yerelleşmiş derin durum yoğunluğu dağılımı içerirler; böylece olası katkı atomlarının sağlayabileceği fazlalık serbest elektronlar bu derin tuzaklar tarafından yakalanarak etkin katkılanma önlenmiş olur. Dolayısıyla iletkenliğinin türü ve miktarı denetlenemiyen bir yarıiletkenin teknolojik öneminin sınırlı olduğu açıktır. Amorf silisyum filmlerinin bu tıkanıklığı, sarkık bağların hidrojenle doyurulmasıyla aşılmıştır. Yaklaşık %10 hidrojenle alaşımlaştırılan a-Si filmlerde, sarkık bağların hidrojenle doyurulmalarından dolayı derin yerel durum yoğunluğu yaklaşık 105 kez azalmaktadır, başka bir deyişle neredeyse bambaşka bir film oluşmaktadır. Bu hidrojenlenmiş amorf silisyum (a-Si:H) filmlerde her tür ve miktarda katkılama yapılabildiğinden elektronik aygıt üretiminde önü açılmaktadır. Öteyandan, kristal silisyuma göre, yasak enerji aralığı yaklaşık %60, optik soğurma katsayısı ise 10-20 kez büyüdüğünden, hem ışık duyarlılığı insan gözünün etkili olduğu görünür bölgeye taşınmakta, hem de belli bir foton miktarı soğurmak için çok daha ince malzeme yeterli olmaktadır. Düşük taşıyıcı hareketliliği ve optik yıpranma sorunlarına karşın a-Si:H filmler, optik özellikleri zayıf olan kristal silisyumun bu açığını büyük ölçüde kapatmaktadır. Ayrıca germanyum, karbon, azot... gibi elementlerle alaşım yapabilen hidrojenlenmiş amorf silisyum filmlerin yasak enerji aralığı kızıl altından mor ötesine kadar ayarlanabilmekte ve geniş yüzeyli optoelektronik uygulamalara yol açmaktadır. Bunlarla birlikte son zamanlarda yapılan çalışmalar incelendiğinde, a-Si:H filmler HIT türü güneş pili çalışmalarında temel yarı-iletken olduğu görülmektedir.Böylece, a-Si:H filmler, ilginç özelliklerinin yanında, mevcut mikro/nano-elektronik malzemelerle (tek kristal Si, SiO2 , Si 3N4...) uyumlu olması, düşük sıcaklıklarda çok katlı yapılara girebiliyor olması, günümüzde `amorf silisyum teknolojisi` diye adlandırabilecek bir teknolojinin temel malzemesini oluşturmaktadır.Hidrojenlenmiş amorf silisyum (a-Si:H) filmlerin hazırlığında kullanılan teknikler ve parametreler malzemenin istenilen özelliklerde oluşması için önemli bir rol oynamaktadır. a-Si:H filmlerin oluşturulması için plazma destekli kimyasal buhar biriktirme sistemi (PECVD) kullanılacaktır. Bu sistem plazma reaktörü ve gazların bulunduğu kabinlerden oluşmaktadır. Bu sistemde, a-Si:H film üretimi için başlıca gaz silan (SiH4) gazıdır. Sistemin çalışması basınç, sıcaklık, güç ve kaynak gazların akış oranı gibi büyütme parametrelerinin itinalı ve dikkatli bir biçimde kontrolü zorunludur. Bu parametreler büyütülen filmin yapısal, elektronik ve optik özelliklerini tamamıyla etkilemektedir. Yöntemler kısmında, filmlerin üretimi ve inceleme araçları hakkında daha detaylı bilgiler verilecektir.Bu çalışmada, PECVD yöntemiyle a-Si:H filmler, cam, metallenmiş cam ve silisyum altlıklar üzerine simultane olarak ilk önce katkısız daha sonra da fosfor (n türü) ve bor (p türü) katkılı olarak büyütüldü. Elde edilen numulerdeki optik sabitler (film indisi, yasak enerji aralığı, soğurma katsayısı vb.) UV-Visible yansıma-geçirme spektroskopisiyle elde edilerek, yapısal özellikler ise IR spektrumlarıyla açığa çıkarıldı. Çeşitli altlıklar üzerine büyütülen a-Si:H filmlerin metallenmesi sonucu kontaklar üretilerek, ilk önce bu kontakların türü, yani ?ohmik? yada ?Schottky? belirlendi, daha sonrada elde edilen aygıtın akım iletim mekanizmaları akım gerilim (I-V) deneylerince ortaya konuldu. Bunların yanısıra, filmlerin yük tutma kabiliyetleride admittans tekniğiyle belirlendi. The hardware of modern information system can be divided into two categories: Electronic processors (microelectronics) and input/output devices. The improvement of processors has been associated with continuous miniaturization on crystalline silicon chips. Therefore integrated circuit technology develops as electronic processors with gradually reducing device dimensions (Submicron). On the other hand, input/output devices have to continue to be of large dimensions. Electronic displays, printers, keyboards or document scanners require electronics technology with large formats, which is called large area electronics. Each of these applications requires an electronic device, whose size matches the interface with human activity ? either a display screen or a sheet of paper- with typical dimensions of 25 cm or larger. Therefore economic fabrication of large area electronic devices requires homogeneous materials with larger size.Amorphous silicon and its alloys, apart from the fundamental importance in theoretical point of view, they are building stone of today?s large area opto-electronics in the relevant market. These large area devices have to stay large in dimensions as a necessity of man/machine interface such as image sensors, document scanners, electronic displays, printers etc. The crystalline silicon based conventional microelectronics could not satisfy the requirements of these large area opto-electronic devices due to both its poor optical properties and limited dimensions. The solutions developed on the semiconductors other than the crystalline silicon have created mismatching problems with the existing silicon based microelectronic structures.Amorphous silicon whose huge amount of dangling bond states around midgap energy region (1020 cm-1eV-1) are reduced to minute amount (1015 cm-1eV-1) by the hydrogen compensation process, becomes able to be selectively doped both n and p types leading to a large number of practically useful devices such as p-n, p-i-n, Schottky diodes etc. As device feasibility of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) has been achieved, the above mentioned two main drawbacks of crystalline silicon (c-Si), (namely poor optical properties and limited geometrical area or too high cost of material), are tried to be solved nowadays by this a-Si:H films. As for the optical weakness of c-Si the optical gap of a-Si:H is widened up to the visible region ( ? 1.75 eV) leading to the photoconductivity spectrum, shifted to shorter light wavelength compared with crystalline silicon. In other words, the a-Si:H spectrum coincides better with the sensitivity range of human eye (the alloying ability of a-Si:H with Ge, Sn, C, N and O creates a flexibility of adjusting the optical gap from IR to UV). Moreover, the optical absorption of a-Si:H is about 20 times larger than that of c-Si. On the other hand, a-Si:H seems to be a solution to the large area problem of crystalline silicon because it can be deposited at low temperature (

Bu çalışmada fotovoltaik etki ile güneş pili işleminin temel ilkeleri üzerine bir derleme yapılmıştır. Fotovoltaik pazarının gelişimi ve dünya piyasasındaki yeri anlatılmıştır. Silisyum türlerinin güneş pili üretimindeki yeri ve önemi üzerinde durulmuştur. Güneş pili üretiminde kullanılan diğer malzemeler de tartışma konusu yapılmıştır. Dünya elektrik üretimine büyük katkının hedeflendiği fotovoltaik sektörünün geçmişi ve geleceği ele alınmıştır., In the present study , on the main points of the working principles of photovoltaic solar cells. The involvement and importance of silicon on the solar cell production are investigated. Other materials used in the production of solar cells are also considered. The past and future of the PV sector that projects to highly effect the world electric production is taken into account.

HİDROJENLENDİRİLMİŞ AMORF SİLİSYUM-OKSİJEN (a-SiOx:H x

HİDROJENLENDİRİLMİŞ AMORF SİLİSYUM FİLİMLERDE UZAY YÜKÜ İLE SINIRLI AKIM TEKNİĞİ İLE DURUM YOĞUNLUĞUNUN BELİRLENMESİ Tolga Okat Hacettepe Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü ÖZ Uzay yükü ile sınırlı akım yöntemi, hidrojenlendirilmiş amorf silisyum (a - Si:H) filimlerde, mobilite aralığındaki yerelleşmiş enerji düzeyleri hakkında bilgi veren ve yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemde, diyot yapısındaki deneğe uygun elektrotlar kullanılarak, bir elektrottan deneğe sürülen taşıyıcıların diğer elektrotta toplanmasının sağlanarak, J - V karakteristikleri elde edilmektedir. J - V karakteristikleri Fermi enerji düzeyinin üzerindeki durum yoğunluğunun belirlenmesinde kullanılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, a - Si:H Alimlerin uzay yükü bölgesinde J - V karakteristikleri, sıcaklığa bağlı ve bilgisayar kontrollü olarak elde edilmesi için gerekli ara birimler - ısıl çift ön yükselteç birimi, AD - DA giriş / çıkış ve ısıtıcı akım kaynağı birimi, deneğe gerilim uygulama birimi, I - V ölçüm birimi, güç kaynağı birimi - tasarımlanmış ve bilgisayar kontrollü olarak sıcaklık kontrolünün yapılabilmesi, verilerin toplanması ve toplanan verilerin değerlendirilmesinin yapılabilmesi amacı ile çeşitli yazılımlar geliştirilmiştir. Geliştirilen deney düzeneği yardımı ile, 276 K ile 363 K sıcaklık aralığında, a - Si:H Alimlerin J - V karakteristikleri elde edilerek mobilite aralığındaki durum yoğunluğu belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: Uzay yükü ile sınırlı akım, durum yoğunluğu, Den Boer tekniği, bilgisayar kontrollü deney düzeneği, sıcaklık kontrolü. Danışman: Doç Dr. Aynur Eray, Hacettepe Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü IV DETERMINATION OF DENSITY OF STATES IN a - Si:H USING SPACE CHARGE LIMITED CURRENT MEASUREMENTS Tolga Okat Hacettepe University, Department of Physics Engineering ABSTRACT The space charge limited current method is a commonly used method that provides information about the localized energy levels in mobility gap, in hydrogenated amorphous silicon (a - Si:H) films. In this method, J - V characteristics are obtained by using electrodes appropriate for the subject in the diode structure and by ensuring the accumulation of the carriers injected into the subject from electrode, in the other electrode. J - V characteristics are used for determining the density of states above the Fermi level. In the scope of the present thesis work, the J - V characteristics in the space charge region of the a - Si:H films, the interface units required to obtain them in a temperature - dependent and computer - controlled manner - thermo couple pre - amplifier unit, AD - DA input / output and current source unit for heater, voltage applying unit for samples, I - V measurement unit, power supply unit - have been designed and various softwares have been developed to perform computer - controlled heat control, to collect data and to evaluate the collected data. By the assistance of the developed experimental set-up, the J - V characteristics of a - Si:H films in the temperature range between 276 K and 363 K are obtained and the density of states in the mobility gap has been determined. Keywords: Space charge limited current, density of states, Den Boer method, computer - controlled experimental set-up, heat control. Advisor Dr. Aynur Eray, Hacettepe University, Department of Physics Engineering 110

öz Bu çalışmada, RF plazma biriktirme sisteminde hidrojenlendirilmiş amorf silisyumun (a-Si:H) ve hidrojenlendirilmiş amorf silisyum- azot alaşımı (a-SiNx:H) tekkatlı filmlerin ve bunların ardışık olarak üst üste büyütülmesi ile elde edilen çokkatlı ince filmlerin elektronik ve optik özelliklerini belirlemek için karanlık iletkenlik, aydınlık iletkenlik ve optik geçirgenlik deneyleri yapılmıştır. Karanlık iletkenlik deneyleri sonucunda; tekkatlı ve çokkatlı filmlerin karanlık öziletkenlikleri arasında ilişki kurulmuş ve çokkatlı filmlerin karanlık öziletkenliklerinin tekkatlı filmlerle aynı davranışı gösterdiği tespit edilmiştir. Çokkatlı filmlerin a-Si:H katmanını oluşturan tekkatlı yarım saatlik saf filme göre daha yüksek karanlık öziletkenlikleri vardır ve katman sayısı karanlık öziletkenliği çok belirgin bir şekilde değiştirmemiştir. Aydınlık iletkenlik deneyleri sonucunda; tekkatlı ve çokkatlı filmlerin fotoöziletkenlikieri arasında ilişki kurulmuş çokkatlı filmlerin fotoöziletkenliklerinin karanlık öziletkenlikte olduğu gibi tekkatlı filmlerle aynı davranışı gösterdiği tespit edilmiştir. Katman sayısı ve katmanların büyüme süresi fotoöziletkenliği etkilemekte ve artan azot oranı ile fotoöziletkenlik artmaktadır. Optik geçirgenlik deneylerinin sonucunda; çokkatlı filmlerin, katman sayısı, azot oranı ve katmanların büyüme süresine bağlı olarak görünür bölgeyi çok iyi kesen yakın infrared bölgeyi (NIR) geçiren bant filtre özelliği gösterdiği tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Amorf Silisyum, amorf silisyum azot alaşımı, a-Si:H/ a-SiNx:H çokkatlı filmler, bant geçiren filtre, Fabry-Perot filtre. Danışman: Doç. Dr. Hüseyin TOLUNAY, Hacettepe Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü ABSTRACT In this study, multilayer films consisting of sequential layers of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) and insulating amorphous silicon nitride (a-SiNx:H) were prepared on glass substrates by plasma decomposition, using SihU for the undoped a-Si:H and SiH4 / NH3 for nitride layer. The dark conductivity and the steady-state photoconductivity and their dependence on light intensity were investigated in multilayer films as a function of temperature between 420 and 100 K. Optical transmission measurements were carried out on a spectrometer in the wavelength range from 400 nm to 1 100 nm. Dark conductivity measurements showed that the conductivity was thermally activated with a single activation energy as in the case of single-layer films. The activation energy was measured to be ~ 0.5 eV. The temperature and the light intensity dependence of photoconductivity of multilayer films behaved like single-layer films. Optical transmission measurements displayed that some multilayer films behaved as a Fabry-Perot bandpass filter in the near-infrared region. Keywords: Amorphous silicon, amorphous silicon nitride alloys, a-Si:H/ a~SiNx:H multilayer films, bandpass filter, Fabry-Perot filter. Advisor: Doç. Dr. Hüseyin TOLUNAY, Hacettepe University, Department of Physics Engineering 100

IV ÖZET Bu çalışmada, cam tabanlar üzerine ince film olarak hazırlanan hidrojenlendirilmiş amorf silisyum (a-Si:H) ve amorf silisyum-azot (a-SiNx:H) ve karbon (a-Siı.xCx:H) alaşımları elektriksel ve optik ölçümler yardımı ile incelenmiştir. Optik geçirgenlik ve optik yansıma spektrumunlarmdan film kalınlığı, dalgaboyuna bağımlı kırma indisi ve optik soğurma katsayıları hesaplanmıştır. Hesaplanan bu parametreler deneklerin karanlık iletkenlikleri ve fotoiletkenliklerinin değerlendirilmesinde kullanılmıştır: Film kalınlığı ve dalgaboyuna bağımlı optik yansıma katsayısı ve optik soğurma katsayısı kullanılarak elektron-hole üretim hızı (G) belirlenmiştir. Sıcaklığa bağımlı karanlık iletkenlik ölçümleri 430-250 K sıcaklık aralığında, bazı örnekler için (a-Si:H; S072, N072; a-SiNx:H) tek aktivasyon enerjili davranış, bazı örnekler için ise (a-Si:H; ES01 ve TS01) yaklaşık oda sıcaklığından önce ve sonra olmak üzere farklı iki aktivasyon enerjili davranış göstermişlerdir. Fotoiletkenlik deneylerinde 630 nm dalgaboyuna sahip bir LED grubu ışık kaynağı olarak kullanılmıştır. Fotoiletkenlik ölçümleri 2,4xl014 - l,0xl017 foton / s cm2 şiddetleri için sıcaklığın fonksiyonu olarak alınmıştır. Isıl sönüm (Thermal Quenching, TQ), katkısız a-Si:H filmlerde belirgin olarak gözlenirken, azot katkılı denekler için gözlenememiştir. Optik bant aralığı, optik soğurma spektrumu Tauc yöntemi ile değerlendirilerek belirlenmiştir. Optik geçirgenlik ölçümlerinden elde edilen optik soğurma spektrumu, Sabit Fotoakım Yöntemi (CPM) ölçüleri ile küçük foton enerjilerine (1,2-2,4 eV) uzatılmıştır. Optik soğurma spektrumu ve kırma indisi dağımm bağıntısı kullanılarak optik geçirgenlik ve yansıma spektrumlan teorik olarak elde edilmiş ve kırma indisi ayrılım (dispersion) bağmtısı kullanılarak optik bant aralığı tek osilatör yaklaşımı (Sellmeier, 1871) ile hesaplanmıştır.Optik soğurma (A), optik geçirgenlik (T) ve optik yansıma (R) A=l-R-T eşitliği ile bağımlıdır. Optik soğurma A, yalnız T veya T ile R beraber ölçülerek hesaplanabilir. Film kalınlığı (d) ve optik soğurma katsayısının (a) uygun değerleri için film üzerine gelen (Io) ve geçen ışık şiddeti (I) arasında Beer yasası olarak bilinen I=Iq exp (-ad) eşitliği geçerlidir. Özellikle bant aralığından büyük enerji değerleri için Log(I/Io) oram ölçülerek, film kalınlığı biliniyorsa optik soğurma spektrumu elde edilebilir. Böylece Tauc eşitliği kullanılarak optik bant aralığı çeşitli yöntemler ile belirlenebilir. Örneğin, S072 numaralı a-Si:H deneğin optik bant aralığı (Eg), optik geçirgenlik yöntemi ile birlikte CPM ölçülerinden elde edilen optik soğurma spektrumu, tek osilatör modeli ve logaritmik oran modülü kullanılarak sırasıyla, 1,66 eV, 1,63 eV ve ile 1,6 eV olarak belirlenmiştir. a-Si:H filmlerin ve alaşımlarının kusur yoğunluklarının belirlenmesi için gereken optik soğurma spektrumu değişik yöntemler (CPM, PDS, PAS) ile elde edilebilir. Her bir yöntemin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır. Standart CPM (S-CPM) ölçüm yönteminde ölçülen a değerleri girişim etkisi nedeni ile hatalı kusur yoğunluğu hesaplanmasına neden olabilir. Geçirgenlik modunda CPM (T-CPM) olarak adlandırılan yeni bir yöntem ile ölçülen a değerlerinde girişim etkileri hemen hemen yok gibidir ve kusur yoğunluğunun hesaplanmasında daha doğru sonuçlar verir. Kutuplu ışığın S-CPM ve T-CPM ölçülerine etkisi araştırılmıştır. Son olarak, kutuplanmış ışığın kutuplanma yönü ile denek üzerine uygulanan elektrik alanın yönünün optik soğurma katsayısma etkisini incelemeye yönelik bir deney seti kurulmuştur. VI ABSTRACT Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) and its alloys with N and C (a-SiNx:H, a- Sii.xCx:H), prepared on glass substrates, are studied with the electrical and optical measurements. Film thicknesses, photon energy dependent refractive indices and optical absorption coefficients are determined from the optical transmission and reflection spectra. These optical parameters that are essential for the calculation of electron-hole generation rate (G), are used in the evaluation of dark conductivity and photoconductivity measurements. Temperature dependent dark conductivity curves measured between 250-430K show single activation energy throughout the measurement range for most of the samples (S072, N072). For the other samples (ES01, TS01) used in the study, two conductivity activation energy ranges (one above and one below the room temperature) are observed. A LED group emitting 630 run wavelength light source was used in the photoconductivity experiments. Photoconductivity measurements as a function of temperature were carried out for the photon flux range of 2.4xl014 - l.OxlO17 photon/s cm2. Thermal Quenching (TQ) was clearly observed in one of the a-Si:H films, TS01. TQ was also observed in an another a-Si:H film, the S072, under a higher photon flux intensity. TQ was not observed in the nitrogen containing samples. Optical band gaps were obtained from the optical absorption spectrum with the use of the Tauc method. Optical absorption spectra obtained from the optical transmission measurements were extended to lower photon energies (1.2-2.4 eV) with the use of the Constant Photocurrent Method. Optical transmission and optical reflection spectra were calculated using the experimentally determined optical absorption coefficients and refractive indices and compared with the experimental spectra. Optical band gaps were also calculated using the refraction index dispersion relation according to the single oscillator model (Sellmeier, 1871).vıı Light absorption A of a film is expressed by A=l-R-T, where T and R optical transmittance and reflectance, respectively. Light absorption, A, therefore the optical absorption coefficients for the samples with known thicknesses, can be determined by the T or the combined T and R measurements. Optical absorption coefficients for the photon energies greater than the optical band gap can also be determined by measuring the logarithmic variation of incoming and transmitting light intensities simultaneously for the samples with known thickness and using the Beer's law, I=Io exp (-ad). Hence, optical band gaps of the samples used in this study determined by using the optical absorption coefficients determined by different methods. The defect densities of the a-Si:H films and its alloys were obtained from the absorption coefficients determined from S-CPM and T-CPM spectra. The optical absorption coefficients measured by the the standart CPM have an inevitable error due to the interference effects for low photon energies. The a measured by the new CPM, which is called Transmission mode CPM, is almost free from the interference effect, and allows more accurate determination of the defect densitiy. The effect of the polarized monochromatic light on the measurements of the S-CPM and T-CPM spectra were also studied. 142

I ÖZET Yüksek Lisans Tezi HİDROJENLENDİRİLMİŞ AMORF SİLİSYUM YAPILARDA KAPASİTE-GERİLİM YÖNTEMİYLE DURUM DAĞILIMININ BELİRTİLMESİ Orhan DURAN Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman : Doç. Dr. Tülay SERİN 1998, Sayfa: 31 Jüri: Doç.Dr. Tülay SERİN Prof.Dr. Basri ÜNAL Prof.Dr. Selahattin ÖZDEMİR Bu çalışmada, Au/a-Si:H/a-Si:H(n-tipi)/ Cr Schottky yapılarında durum yoğunluğu dağılımı raştırılmıştır. Aralık durum yoğunlukları 0.35 - 0.50 eV enerji aralığında Michelson'un kaygan üzey kapasite yöntemiyle bulunmuştur. Tavlamanın durum yoğunluğu üzerindeki etkisini araştırmak için aynı diyotlar 100-175°C ıcaklık aralığında 2 volt ters beslem altında tavlanmışlardır. Her bir tavlama işleminden sonra durum oğunluğu bulunmuştur. Tavlamayla durum yoğunluklarında değişiklik gözlenmiştir. Bu değişiklikler opingin kusur giderici özelliği modeliyle açıklanmaya çalışılmıştır. ANAHTAR KELİMELER: Schottky diyodu,amorf silisyum, durum yoğunluğu, kaygan düzey apasite yöntemi, omik kontak, doğrultucu kontak. II ABSTRACT Master Thesis DETERMINATION OF DISTRIBUTION OF STATES IN HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON STRUCTURES FROM CAPACITANCE - VOLTAGE CHARACTERISTICS Orhan DURAN Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Physics Engineering Supervisor: Assc. Prof. Tülay SERİN 1998, Pages: 31 Jury: Assc.Prof. Tülay SERİN Prof.Dr. Basri ÜNAL Prof.Dr. Selahattin ÖZDEMİR In this study, the distribution of density of state was investigated in a Schottky structure of iu/a-Si:H/a-Si:H(n-type)/ Cr. The gap state density in the energy range of 0.35 - 0.50 eV was bund by Michelson' s drive level capacitance method. In order to determine the effect of thermal annealing on the distribution of density of state he same diodes were annealed in the temperature range, 100 - 175 °C while a 2 volts reverse bias voltage was applied to their terminals. The density of state was found after the each annealing processes. The changes occurred in the density of state due to the annealing were interpreted by the defect compensation model of doping. CEY WORDS: Schottky diode, amorphous silicon, density of state, drive -level capacitance method, ohmic contact, rectifier contact. 31

ÖZET Amorf Silisyum (a-Si) ışığa çok duyarlı bir yarıiletken olarak, ışığın elektriğe çevrildiği, güneş pilleri, optik sensörler, fotokopi makinalarının tamburları gibi, pekçok yüksek teknoloji ürününde kullanılır. Ancak ışığa maruz kalan a-Si numunenin elektriksel özellikleri değişir. Staebler-Wronski etkisi adı verilen bu olay a-Si ile üretilen cihazların verimim etkileyen en önemli parametredir. Amorf silisyumda kristallerdeki düzen yoktur, ve bu malzemenin en küçük bir dış etkenle özellikleri değişir. Bu nedenle, başta Staebler-Wronski etkisi olmak üzere a-Si da görülen pekçok olayı açıklamak için, cihaz kalitesinde numuneler gerekir. TÜBİTAK, Marmara Araştırma Merkezi, Ulusal Metroloji Enstitüsü Amorf Silisyum Laboratuvannda yapılan çalışmalardan bir tanesi de a-Si numunelerde Staebler-Wronski etkisinin incelenmesidir. Amorf silisyum laboratuvanndaki gözlemlere göre, a-Si üzerine düşen ışık şiddetinin numuneden geçen akıma etkisini belirleyen 7 parametresi ile Staebler-Wronski etkisi arasmda bir ilişki bulunmaktadır. ^kF1 ilişkisinde oluşan akımı (7), uygulanan ışık şiddetine (F), bir sabitle (£), bağlayan 7 nın tam olarak çalışılabilmesi ve bu konuda yapılan teorik modellerle karşılaştırılabilmesi için yeni bir ölçüm tekniğinin geliştirilmesi gerekmektedir. Staebler-Wronski etkisiyle 7 arasındaki ilişkiyi inceleyen ve bu teze de konu olan araştırma kapsamında temel dört çalışma yapılmıştır: 1. a-Si numunelerin üretimi ve bu numunelerin cihaz kalitesinde olduklarının gösterilmesi, 2. Foton enerjisine ve ışık şiddetine bağlı olarak, 7 nın Staebler-Wronski etkisiyle nasıl değiştiğinin incelenmesi, 3. Yeni bir ölçüm tekniğinin geliştirilerek fotoakımın, ışık şiddetinin 1010 defadan daha geniş ışık şiddeti aralığında ölçülebilmesi, 4. Analiz edilen sonuçların yüksek kalitede amorf silisyum numunede 7 nın nasıl bir davranış göstermesi gerektiğini vurgulayan teori ile karşılaştırılması. Tamamlanan bu çalışmalarla yapılan numunelerin cihaz kalitesinde olduğu gösterilmiş, ayrıca dünyada ilk defa amorf silisyumda 14 basamak değişen ışık şiddetinin fonksiyonu olarak, fotoakım ve 7 nm ölçülmesine olanak sağlayan bir deney tekniği gehştirilmiştir. Alman verilerin analizi sonucunda Staebler- Wronski etkisi ile 7 nın ilişkisi belirlenmiş, ve sonuçların 1990 yılında Kocka et al. tarafından geliştirilen ancak deney tekniklerinin yetersizliğinden bugüne dek denenemeyen teoriye mükemmel bir şekilde uyduğu gösterilmiştir. viii SUMMARY THE ROLE OF STAEBLER-WRONSKI EFFECT ON THE 7- PARAMETER OF PHOTOCONDUCTIVITY IN AMORPHOUS SILICON There is a large interest in the optical and electrical properties of amorphous silicon (a-Si:H) produced by the discharge decomposition of silane [34,40,50]. Such films are deposited on the substrates at temperatures between 200 °C and 300 °C and have been extensively used for fabricating high quality junctions and efficient solar cell structures [6,7,35]. Traditional solid-state physics has emphasized the study of periodic systems, whose energy levels may be labeled by the wavevector. The concept of reciprocal space, or of allowed wavevector values, therefore provides a convenient and consistent framework for describing electronic, vibrational and magnetic properties of crystalline solids in terms of energy bands. The semiconductor properties of crystalline solids are succesfuly predicted by the band theory in terms of conduction and valance energy bands, Ec, and Ev. These bands correspond to energies where the densities of states that electrons and holes can occupy are high and the charge carriers in these extended or non-localized states can move freely through the material. The density of states between Ec and Ev on the other hand is zero so that no electrons or holes can exist between these energies. This results in a forbidden gap of energies which correspond to the classic semiconductor bandgap [1]. Furthermore, the periodic nature of the crystalline materials allows the charge carriers to have large mean free paths between collisions with an imperfection, which results in high mobilities of electrons and holes. In a nonperiodic system, the concept of a wavevector is not valid, therefore a fundamental concept that might be useful in the study of nonperiodic systems is needed. Like crystalline solids, amorphous materials also have extended states through which electrons and holes can move freely. However, the absence of long range order introduces many imperfections so that the carrier mean free paths become significiantly lower than in the crystalline material. When these energy dependent mean free paths become comparable to the interatomic distances, the charge carriers become localized. Consequently, amorphous semiconductors have boundaries between the non-localized and the localized states with the resulting energy bands which look similar to those in crystalline semiconductors. Ec and Ev correspond to these boundaries and are called the mobility edges [30]. The energy between Ec an Ev constitutes the mobility gap. In amorphous semiconductors mobility drops by more than two orders of ixmagnitude at the mobility edges [14]. In the crystalline case, there are no energy states available within the energy gap whereas in amorphous materials there is a continium of localized states. The states that are inherent to disorder have densities which decrease exponentially with energy from the mobility edges and rapidly decay to low values ( (5) where, 0.5

iv ÖZET Bu çalışmada, düşük oranda karbon içeren (x

ÖZET Bu çalışmada, hidrojenli saf ve p tipi amorf silisyum (a-Sİ:H), ile amorf silisyum karbür (a-S!C:H) ince filmler Plazma Yardımlı Kimyasal Buhar Depolama (PECVD) yöntemiyle elde edilmiş ve metan ile diboran gazlarının değişik oranlarına göre filmlerdeki elektriksel ve optik özellikler incelenmiştir. Saf durumdayken karanlık öziletkenliği 3,5.10`' Q'1cm`' ve aktivasyon enerjisi 0,84 eV olarak belirlenen sözkonusu filmlerin, bor ve karbon atomlarının ilavesiyle bu özelliklerinin değişimleri elektriksel deneylerle incelenmiştir. Diğer yandan, saf haldeyken kırılma indisi 3,4, kalınlığı 1000 nın ve optik band aralığı 1,721 eV olarak elde edilen filmlerin bu özelliklerindeki değişimler yine metan ve diboran gaz oranlarına göre 400-1100 nm aralığında incelenerek elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Ayrıca, saf hidrojenli amorf silisyum filmlerde 10 mW/cm2'lik beyaz ışık altında Staebler-Wronskl olayı da araştırılmıştır. Bu çalışmada, ince film amorf silisyum güneş pillerinin elde edilmesinde bir basamak olan p tipi amorf silisyum karbür tabakaların optimizasyonu yapılarak, bu konuda daha ileri çalışmalara olan gereksinim belirtilmiştir. SUMMARY In the present study, Intrinsic and p type hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) and amorphous silicon carbide (a-SİC:H) thin films were produced by `Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition` (PECVD) technique and electrical as well as optical properties, due to altered ratios of methane and diborane gasses were investigated. With the addition of boron and carbon atoms, the variations In dark conductivity and activation energy of the above mentioned films, which are 3,5.10`' Q'1 cm`1 and 0,84 eV respectively in the Intrinsic case, are examined by electrical measurements. Furthermore, films with refractive index 3,4, thickness 1000 nm, and optical band gap.1,721 eV in the Intrinsic state, are examined in the range of 400-1100 nm regarding changes in these properties under different methane and diborane gas ratios. Finally, the Staebler-Wronski effect is also Investigated in the intrinsic films under white light of 10 mW/crrr1. In the contex of thin film amorphous silicon solar cells, the p type amorphous silicon carbide layers are optimized and the need for further studies is stated. 95

ÖZET Amorf yarıiletkenlerin mobilite aralığında sürekli geli şigüzel ağ örgüsünden ve yapısal bozukluklardan ileri gelen yerleşik durumların enerjiye göre dağılışlarının saptanması bu malzemelerin taşıma mekanizmalarının anlaşılması açısın dan çok önemlidir. Yüksek alan:.ya da kapasitans-volta j (C-V) yöntemleri gibi bazı deneysel yöntemler hidro jenlenmiş amorf silisyum filmlerin yerleşik durumlarının dağılımının belirlen mesi için kullanılmıştır. Ancak bu yöntemleri yerleşik durum yoğunluğunun oldukça büyük olduğu buharlaştırılmış amorf film lere uygulamak mümkün değildir. Bu çalışmada buharlaştırma yoluyla hazırlanan filmlerin yerleşik durum yoğunlunluklar mın enerjiye göre dağılımları nın saptanması için yeni bir yöntem uygulanmıştır. Bu yöntem film üzerine gönderilen modüle edilmiş uyarı ışığı ile bu uyarı ışığı tarafından indüklenen fotoakım arasındaki faz kay masının incelenmesine dayanmaktadır. Faz kayması yerleşik du rum yoğunluğu ile doğrudan ilişkilidir. Öncelikle yöntemin geçerliliği kanıtlandıktan sonra iletkenlik bandı ile Fermi seviyesi arasında yaklaşık 300 meV. 'luk bir bölgede yerleşik durum yoğunluğunun enerjiye göre dağılımı belirlenmiştir. SUMMARY Determination of the energetic distribution of localized states due to random network and structural defects within the mobility gap of amorphous semiconductors is of great im portance for understanding the transport properties of these materials. Some experimental techniques like the field effect and capacitance-voltage (C-V) methods have been used for de termining the form of these gap states in hydrogenated amorp hous silicon. However, it is quite impossible to apply these methods to evaporated amorphous silicon films, in which the density of localized gap states is quite high. In the present work a new method is applied on evapora ted amorphous silicon films to determine the distribution of their localized states. This method involves an analysis of the phase shift between the modulated exciting light and the photocurrent induced by it. The phase shift is directly re lated to the density of localized states. The validity of the method is confirmed and the distribution of the localized states is determined for a range of 300 meV. f 67