Güneş enerjisi, çevre dostu ve bol bulunan bir enerji kaynağı olarak Dünya’daki enerji talebini karşılamada kritik bir role sahiptir. Güneş pilleri teknolojisi, enerji dönüşüm verimliliğini (PCE) artırmak ve üretim maliyetlerini düşürmek amacıyla sürekli bir gelişim içindedir. Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) bileşiği hem kolay bulunabilirliği hem de toksik madde yaymaması sebebiyle dikkat çekmiştir. Ancak katyonik düzensizliği, enerji bant yapısındaki kusurlar ve bunlardan kaynaklanan açık devre gerilimi (VOC) kaybıyla PCE değeri düşük olmaktadır.
PCE değerini artırmak amacıyla VOC değerini değiştirecek işlemler gerçekleştirilmiştir. Bu işlemlere rağmen elde edilen PCE değeri %14 olup hala yeterli seviyeye ulaşamamış ve CZTS bileşikli güneş hücrelerini geliştirmek üzere yapılan çalışmalar azalmıştır.
Antisite düzensizliği sebebiyle farklı derişimler deneyen araştırmacılar CZTS’deki Cu/Zn elementleri yerine başka birleşimler denemişlerdir. Bu bağlamda, Cu₂FeSnS₄, Cu₂CoSnS₄, Cu₂NiSnS₄, Cu₂CdSnS₄, Cu₂MnSnS₄, Cu₂BaSnS₄, Cu₂SrSnS₄ (CSnS), Ag₂ZnSnS₄ gibi birçok yeni bileşik keşfedilmiş ve fotovoltaik özellikleri kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Bu bileşikler arasında özellikle CSnS, düşük antisite kusurları ve umut vadeden fotovoltaik potansiyeli ile ön plana çıkmaktadır.1
Çalışmalar sonucu elde edilen Cu₂SrSnS₄’ün değerlerinin fotovoltaik hücre alternatifi olarak umut vadettiği gözlemlenmiştir. Ancak enerji dönüşüm verimliliği düşük bulunduğundan, bu malzemenin performansını iyileştirmek için uygun delik taşıyıcı katmanlar (HTL) araştırılmıştır. Bu kapsamda tek boyutlu güneş hücresi kapasitans simülatörü olan SCAPS-1D simülsayonundan faydalanılarak analizler yapılmıştır. SCAPS-1D; güneş hücrelerini tasarlamak, katman özelliklerini ve uygunluğunu, bant hizalarını incelemek, bant sıcaklığı ve dirençlerin cihaz performansı üzerindeki rolünü malzeme kullanmadan dijital ortamda zamandan tasarruf ederek gözlemlemeyi sağlamaktadır.
Simülasyonlarda ilk olarak ZnMgO elektron taşıyıcı katmanının kalınlığı ve taşıyıcı yoğunluğu incelenmiştir. Kalınlık değişimi önemli derecede bir değişikliğe yol açmasa da deneysel veriler çok ince katmanlarda düzensiz yüzey kaplaması nedeniyle yüksek sızıntı akımı ve foton emiliminde azalma gibi problemler gözlemlenmiştir. Ancak çok kalın katmanlarda ise elektriksel direnç artışı ve ışık emiliminde kayıp gözlemlenmesi hücre performansında düşüşe sebep olmuştur. Bunun sonucunda optimum ZnMgO kalınlığı 0,06 μm olarak belirlenmiştir.
Ayrıca taşıyıcı yoğunluğu 10¹² cm⁻³ ile 10²⁰ cm⁻³ aralığında değiştirilerek yapılan analizlerde 10¹⁵ cm⁻³ e kadar VOC değerinin sabit kaldığı, bu noktadan sonra ise kısa devre akım yoğunluğunun (JSC) ve maksimum güç üretme verimliliği oranının (FF) artması dolayısıyla PCE’nin artış gösterdiği tespit edilmiştir. Ancak 10¹⁸ cm⁻³ ün üzerindeki yoğunluklarda elektron saçılması nedeniyle verim artışı doygunluğa ulaşmıştır ve sonuç olarak optimum değer 10¹⁸ cm⁻³ olarak belirlenmiştir.2
Absorban yani soğurucu katman üzerinde yapılan çalışmalarda ise kalınlık 0,1 µm ile 2 µm arasında sistematik olarak değiştirilerek farklı HTL yapılarıyla birlikte hücre performansına etkisi gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre absorban kalınlığı arttıkça VOC belirli bir kalınlığa kadar artıp sabitlenmektedir. Ancak daha kalın katmanlarda artan karanlık doyum akımı nedeniyle bu artış durmaktadır. Buna karşın, JSC ve QE (kuantum verimliliği) tüm HTL’siz yapılarda kalınlıkla birlikte önemli ölçüde artmıştır. Bu artış 0,5 µm kalınlığa kadar belirgindir. Bu değerin üzerindeki kalınlıklarda, taşıyıcıların kontağa ulaşmadan önce rekombinasyona uğrama olasılığı arttığı için performans artışı doygunluğa ulaşmıştır. Bu nedenle, hem optoelektronik verim hem de malzeme kullanım verimliliği açısından bakıldığında 0,5 µm Cu₂SrSnS₄ kalınlığı tüm hücre tipleri için optimum değer olarak belirlenmiştir.3
Soğurucu taşıyıcı yoğunluğu; güneş hücresinin enerji bant hizalaması, yük taşıyıcılarını taşınması ve arayüz davranışları üzerinde doğrudan etkili ve önemli bir parametredir. Bunun üzerine yapılan simülasyon çalışmalarında düşük yoğunluklarda cihaz parametrelerinde belirgin bir değişiklik gözlemlenmezken 10¹⁵ cm⁻³ ün üzerindeki yoğunluk değerlerinde fotovoltaik performansında önemli farklılıklar görülmüştür. VOC değeri, taşıyıcı yoğunluğu arttıkça artış gösterirken JSC bazı hücrelerde azalma eğilimi göstermiştir.
Analizler sonucunda HTL’siz güneş hücreleri için 10¹⁸ cm⁻³, Cu₂O HTL içeren yapılar için 10¹⁶ cm⁻³, diğer tüm HTL bazlı yapılar için ise 10¹⁵ cm⁻³ taşıyıcı yoğunluğu en uygun değer olarak belirlenmiştir. Bu değerlerde, ideal bant hizalaması ve yüksek verim elde edilmiştir.4
Bu bulgular Cu₂SrSnS₄ tabanlı güneş hücrelerinde HTL katmanının, özellikle Cu₂O gibi uygun malzemelerin kullanılması durumunda, verimliliği ciddi şekilde iyileştirdiğini göstermektedir. Bu sayede, çevreci ve ucuz materyallerle yapılan güneş hücrelerinin ticari olarak daha uygulanabilir hale gelmesi mümkün olabilir.
Kaynaklar
- Mitzi, D. B., Gunawan, O., Todorov, T. K., & Barkhouse, D. A. R. (2013). Prospects and performance limitations for Cu–Zn–Sn–S–Se photovoltaic technology. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 371(1996), 20110432.
- Pawar, S., Pawar, B., Moholkar, A., Choi, D., Yun, J., Ay, J., Kolekar, S., & Kim, J. (2010). Single step electrosynthesis of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films for solar cell application. Elektrochimica Acta, 55(12), 4057-4061. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.02.051
- Wang, Y., Wang, G., Zhou, Y., Xie, Q., Chen, J., Zheng, K., … & Wang, R. (2023). Research progress in doped absorber layer of CdTe solar cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 183, 113427.
- Arockiadoss, K. T., Rasu Chettiar, A., Rahman, M. F., Hüseyin, M. H., & Marasamy, L. (2025). Architecture guidelines for Cu2SrSnS4 solar cells using chalcogenide and oxide hole transport layers by SCAPS-1D simulation. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 203, 112732. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2025.112732