AMORF MALZEMELER - Sakarya Üniversitesi
AMORF MALZEMELER - Sakarya Üniversitesi
AMORF MALZEMELER - Sakarya Üniversitesi
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
T.C.<br />
SAKARYA ÜNİVERSİTESİ<br />
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ<br />
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ<br />
<strong>AMORF</strong> <strong>MALZEMELER</strong><br />
Amorf Yarı İletkenler<br />
Hazırlayanlar:<br />
Ceyhun Yapıcı G0501.08020<br />
Neval Aslantaş G0501.08044<br />
<strong>Sakarya</strong> 2008
<strong>AMORF</strong> YAPI<br />
Bir katı madde (gerçekte) atomlarını belli bir düzende bir arada tutan bir<br />
yapıdadır. Fakat amorf katıların yapısında atomların yerleri uzun mesafede<br />
periyodik bir düzende değildir. Amorf yapılara cam ve bazı plastik türleri örnek<br />
olarak verilebilir.<br />
Amorf yapılar bazen mükemmel yapılar olaraktan tanımlanabilir. Bunun<br />
sebebi moleküllerinin ( tıpkı bazı sıvı yapılardaki gibi) gelişi güzel biçimde<br />
düzenlenmiş olmasıdır. Örnek olarak camı ele alırsak, camın kristal yapıya sahip<br />
olan kuarts kumu, ya da silisyum dioksitten oluşan basit bir yapıya sahip<br />
olduğunu görürüz. Kum eritildiğinde, kristalleşmesi önlemek için çabucak<br />
soğutulur ve cam adı verilen amorf katı şeklini alır. Amorf katılar, katı halden<br />
sıvı hale geçerlerken belirli bir ergime noktasında keskin bir faz geçişi<br />
gösterirler. Bundan ziyade ısıtıldıklarında yavaş yavaş, yumuşak bir faz geçişi<br />
gösterirler. Amorf yapıların fiziksel özelliklerini herhangi bir eksen boyunca<br />
bütün yönlerde aynıdır. Bu nedenle izotropik bir yapıya sahip oldukları<br />
söylenebilir.<br />
<strong>AMORF</strong> YARI İLETKENLER<br />
Geçmiş yıllarda bilinen en önemli amorf yarı iletken (pek çok makinede<br />
aktif materyal olarak da kullanılan )selenyumun cam fazı olmuştur. Günümüzde<br />
en çok kullanılan yarı iletkenler; Kristal Silisyum, Amorf Silisyum, Galyum<br />
Arsenit, Kadmiyum Tellürid, Bakır İndiyum Diseleneid’tir<br />
Periyodik tablonun 6. grup elementlerinden olan Te, Se, S, O (kalsojen<br />
elementleri) 5. gruptan olan Bi, Sb, As, P elementleri ile 4. gruptan olan Si ve<br />
Ge elementlerini kapsayan muntazam dörtlü ve üçlü alaşımlar, ikili bileşikler ve<br />
elementler olmak üzere yarı iletken özelliklere sahip amorf maddeler vardır.<br />
Bunlar asıl katılanlar olmasına rağmen, bazı geçiş metal oksitleri amorf yarı<br />
iletken form oluşturabilirler ve ( CdAs2Ge gibi ) diğer elementler de yukarıda<br />
ismi geçen elementlerle bir arada bulunabilirler.
İdeal bir kovalent cam uzun sıra dizilimi olmayan fakat mükemmel sıra<br />
dizilimli gelişigüzel bir ağ örgüsü olarak tanımlanabilir. Böyle bir cam ( boşluk<br />
gibi) yapısal kusurlara sahip olmamalı ve bütün atomları bağ yapamayacak<br />
şekilde taban durumda olmalıdır. Belkide bu ideale en fazla yaklaşanlar vakum<br />
buharlaştırma yöntemiyle hazırlanan germanyum ve silisyumun amorf<br />
filmleridir. Her bir silisyum atomu tıpkı kristal yapıdaki silisyum gibi birbirine<br />
aynı mesafede 4 komşusuna sahiptir. Ayrıca, hem silisyum hem de germanyum<br />
amorfları, ayrı ayrı kristal yapılara yakın yoğunlukta filmler olarak depo<br />
edilebilir.<br />
<strong>AMORF</strong> YARI İLETKEN ÇALIŞMALARI<br />
AmorfYarı-iletken çalışmaları, hidrojenlendirilmiş amorf silisyum ve<br />
hidrojenlendirilmiş amorf silisyum-karbon(veya azot) alaşımı filmleri, plazma<br />
biriktirme yöntemi ile hazırlamakta ve bu filmlerin elektronik ve optik<br />
özelliklerini incelemektedir. Güneş pili ve ince film Transistor yapımında<br />
uygulama alanı bulan bu filmler öz-iletkenlik, ısıl uyarmalı akım, kararlı ve<br />
geçici fotoiletkenlik, optik geçirgenlik ve yansıma, Sabit Fotoakım<br />
spektroskopisi gibi ölçümlerde karakterize edilmektedir. Şu anda yürütülen<br />
araştırmalar henüz yapıları iyi anlaşılamamış amorf yarı iletkenlere özgü Yarıkararlı<br />
kusurların incelenmesi üzerine yoğunlaşmıştır. ve konvansiyonel<br />
malzemeler yerine kullanılan, yüksek teknoloji malzemeleridir.
Galyum-Ârsanyum alaşimları, amorf silisler, fiber optik, kablolu<br />
telekominikasyon malzemeleri, nadir mineraller, sensörler, önemli olan yeni<br />
malzemeler arasında sayılmaktadır. Bu malzemelere her gün yenileri<br />
eklenmekte ve bunların dünya programlarındaki işlem hacimleri süratle<br />
artmaktadır.<br />
Temeli yarı iletkenler teknolojisine dayalı güneş pilleri için kullanılan maddeleri<br />
kristal ve amorf olarak ayırmak mümkündür. Kristal olanlar tek ve polikristal<br />
şeklinde türlere ayrılırlar.<br />
Son yıllarda kristal güneş pillerine alternatif olan, daha ucuz ve kolay<br />
teknoloji gerektiren amorf yapılı, ince film teknolojisine dayalı güneş pilleri<br />
yapılmaya başlanmıştır. Güneş pillerinin yapımında kullanılan belli başlı yarı<br />
iletken maddeler: Silisyum, Kadmiyum Sülfür, Galyum Arsenid, Kadmiyum<br />
Tellür gibi elementlerdir.<br />
Bu tabloda görülen ince film teknolojisine dayalı amorf yapılı güneş pilleri de<br />
ticari ortama girerek uygulama alanları bulmaya başlamıştır. Gelecekte de hem<br />
kolay teknoloji içermesi hem de kolaylıkla yüksek verimlere çıkılabilmesinden<br />
dolayı cazip görünmektedir.<br />
Amorf yapılı güneş pilleri üzerinde yapılan çalışmalar, yeni olmakla<br />
birlikte ucuz ve kolay elde edilebilir olmaları bakımından, kristal yapılı güneş<br />
pillerine göre daha çok gelecek vaat etmektedir. RCA ve Fuji grupları, % 1 İve<br />
% 9 verimlerde geniş alanlı PIN türü amorf güneş pilleri elde etmişlerdir.<br />
Bundan başka, Sharp-ECD Solar grubu % 12.4 verimli çok eklemli amorf<br />
silisyum güneş pilleri oluşturmuşlardır.<br />
Amorf silisyum güneş pilleri daha çok hesap makineleri, taşınabilir<br />
televizyon, batarya yükleyicileri vb. çeşitli uygulama alanları bulmakta, Japonya<br />
da her yıl 3 Milyon civarında hesap makinesi amorf silisyum güneş pilleri ile<br />
çalıştırılmaktadır.
Elektrik enerjisinin insanoğlunun vazgeçilmez ihtiyaçlarından biri<br />
haline gelmesinden ve bu ihtiyacı karşılayan enerji kaynaklarının (petrol kömür<br />
doğalgaz v.s…) yakın bir gelecekte tükenecek olmalarından dolayı bu enerji<br />
kaynaklarına alternatif olacak yeni kaynaklar üzerine yapılan çalışmalar yoğun<br />
bir şekilde artmıştır. Güneş enerjiside bu kaynaklar arasında en doğal ve temel<br />
kaynaklardan birisidir. Güneş pili olarak kullanılan silisyum kristalinde daha<br />
yüksek iletkenlik oluşturmak için kristalin saf olması gerekmektedir. Kristalin<br />
bu denli saf elde edilmesi ise yüksek maliyetli olmaktadır. Bu yüzden yeni yarı<br />
iletkenler üzerinde çalışmalar daha düşük maliyetli güneş pili üretmek için<br />
yoğunlaşmıştır. Bunun GDD (Glow Discharge Decomposition) diğer bir adıyla<br />
PECVD (Plasma Enhaced Chemical Vapor Deposition) tekniği kullanılarak<br />
amorf yapıdaki güneş pilleri üretilmiştir.<br />
Amorf yarıiletkenlerin kristal yapılara göre en büyük avantajı geniş yüzeyli ince<br />
filmlerin kolayca üretilebilmesidir ve maliyetlerinin düşük olmasıdır. Güneş<br />
ışınlarını toplanabilmesi için geniş yüzeyli güneş pillerine ihtiyaç duyulduğu<br />
düşünülürse amorf malzemelerin ne denli önemli olduğu ortaya çıkacaktır.
Kristal yapıdan farklı olarak, amorf yarıiletkenlerin atomları arasında kısa<br />
mesafelerde bir düzenlilik olsa bile uzun mesafelerde düzensizlik (disorder)<br />
hakimdir. Bu nedenle iyi bilinen bir çok model amorf yarı iletkenlerinin<br />
elektronik yapısını açıklamada yetersiz kalmaktadır. Amorf yarıiletkenler için<br />
farklı enerji bant modelleri amaçlanarak bu tür yarıiletkenlerin elektriksel<br />
iletkenlikleri ve optik özellikleri açıklanmaya çalışılmıştır. Anderson teorisine<br />
dayanan tüm bu modeller enerji bant uçlarındaki (band tails) lokalize enerji<br />
seviyelerini dikkate alır . Yapılarındaki düzensizliklerden dolayı, amorf yarı<br />
iletkenlerin elektronik yapısı hala tam olarak anlaşılmamıştır ve araştırmalara<br />
açıktır.<br />
GÜNEŞ PİLLERİ (FOTOVOLTAİK PİLLER)<br />
Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan<br />
elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare,<br />
dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle<br />
100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.<br />
Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık<br />
düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik<br />
enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir.<br />
Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir<br />
verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.<br />
Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri<br />
bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da<br />
fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri<br />
ya da paralel bağlanarak bir kaç Watt'tan megaWatt'lara kadar sistem<br />
oluşturulur.
Güneş Pillerinin Yapımında Kullanılan Malzemeler<br />
Güneş pilleri pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en<br />
çok kullanılan amorf maddeler şunlardır:<br />
Amorf Silisyum:<br />
Amorf silisyum gunes pilleri (a-Si), ince film gunes pili teknolojisinin en onde<br />
gelen orneğidir. İlk yapılan a-Si piller Schottky bariyer yapısında iken, daha<br />
sonraları p-i-n yapıları gelistirilmistir. P-i-n yapısındaki pillerin fabrikasyonu<br />
kalay oksitle kaplı iletken bir yuzeyin uzerine cokturme yontemi ile yapılır, bu<br />
yuzeyin arkası daha sonra metalle kaplanır. Verimleri %5-8 arasındadır. Ancak<br />
bu piller, kısa zamanda bozunuma uğrayarak cıkısları azalır. Kristal yapı<br />
özelliği göstermeyen bu Si pillerden elde edilen verim %10 dolayında, ticari<br />
modüllerde ise %5-7 mertebesindedir. Günümüzde daha çok küçük elektronik<br />
cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneş pilinin bir başka<br />
önemli uygulama sahasının, binalara entegre yarısaydam cam yüzeyler olarak,<br />
bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin<br />
edilmektedir.
Selenyum Gunes Pili:<br />
Saf selenyum, alkali metallerle veya klor, iyod gibi halojenlerle karıstırılıp p tipi<br />
yarı iletken olusturulur.<br />
Bunun uzerine iyi iletken ve yarı iletken / yarı gecirgen bir gumus tabaka<br />
birkac mikron kalınlığında kaplanarak p-n kavsağı olusturulur. Sekilde bir<br />
Selenyum gunes pilinin yapısı gorulmektedir. Bu pillerin 50 0C ‘nin uzerinde<br />
kullanılmamaları tavsiye olunur.<br />
İnce Film Gunes Piller :<br />
Bu teknikte, absorban ozelliği daha iyi olan maddeler kullanılarak daha iyi olan<br />
maddeler kullanılarak daha az kalınlıkta (tek kristalin 1-500’u kalınlığında)<br />
gunes pilleri yapılır. Orneğin amorf silisyum gunes pillerinin absorbsiyon<br />
katsayısı kristal silisyum gunes pillerinin katsayısından daha fazladır. Dalga<br />
boyu katsayısı 0.7 mikrondan kucuk bir bolgedeki gunes radyasyonu 1 mikron<br />
kalınlığında amorf silisyum ile absorblanabilirken,<br />
kristal silisyumda ise aynı radyasyonu absorblamak icin 500 mikron kalınlıkta<br />
malzeme kullanılması gerekmektedir. Bu yuzden amorf yapılı gunes pillerinde<br />
daha az malzeme kullanılır ve montaj kolaylığı nedeniyle bir avantaj sağlar.<br />
Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda<br />
yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17'nin, pil<br />
verimi ise %30'un üzerine çıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz<br />
plastik malzemeden yapılmaktadır.
Uygulama Örnekleri<br />
Şebekeye Elektrik Veren Güneş Pili (PV) Sistemi
Kaynaklar<br />
[1]. Ruud E.I. Schropp, M.Zeman, “Amorphous and Microcrystalline Silicon<br />
Solar Cells: Modeling, Materials<br />
and Device Technology”, Kluver Akademik Yayınevi, Boston 1998.<br />
[2]. Eliot R.S.,Physics of Amorphous Materials,Longman, 1990.<br />
[3]. Brodsky H.M.,Amorphous Semiconductors,Berlin,1985.<br />
[4]. A. Rose, “Concepts in Photoconductivity and Allied Problems”, Krieger,<br />
New York, 1978.<br />
[5] R. H. Bube, J. Appl. Phys., 74 (1993) 5133.<br />
[6] M. Hack, S. Guha, M. Shur, Phys. Rev. B 30 (1984) 6991.<br />
[7] E. Morgado, J. Non-Cryst. Solids 166 (1993) 627.<br />
KAYNAKÇA<br />
-<br />
FORE3TER,T.(L988):Hlgh-Tech Society.The MET Press, Mas-<br />
sachusetts,<br />
BM (1989): State of Science and Technology For Development<br />
in the World. BM Bilim ve Teknoloji Komitesi yayını New York.<br />
-<br />
GÜLEG.K.(I989): Yeni Gelişen Teknolojilerin Kalkınmaya Etkisi :DPT<br />
Planlama Dergisi.Sayı II.Ânkara<br />
ANON(1989) NEW Materials.New Semi conductors and theirpotential<br />
Technological and Ekonomlc Impact.Of CD Yayını Paris<br />
ANON(1989):National Policies Concerning New Materials.OECD Yayini.Paris,<br />
ANON(1989) :New Materials.lssue Paper. OECD Yayini.Paris<br />
ANON (19S9):New Materials.lssues Associated With Training<br />
Material.Scienoe and Engineering.OECD Yayini.Paris,<br />
ANON (1989): New Materials.High Technology Materials.Recent Materials-<br />
OECD Yayini.Paris.
Change language