Dar bantlı gainassb termofotovoltaik yapıların elektrik ve optik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Termofotovoltaik (TPV) sistemler ısınmış bir kaynaktan yayınlanan infrared radyasyonu absorbe ederek fotovoltaik etki sayesinde elektrik enerjisi üretirler. Yasak bant genişliğinin mümkün olduğunca dar olması TPV sistemlerde kullanılacak olan TPV diyotlar için önemlidir. Dolayısıyla, yapılan çalışmalar III – V grubu bileşik yarıiletkenler ile bunların üç ve dört bileşenli alaşımlarına odaklanmış durumdadır. Dörtlü III – V grubu alaşımları hem yasak bant aralığının hem de örgü sabitinin kontrolünü mümkün kıldığından dolayı TPV diyotlar için önemlidir. Bu çalışmada ele aldığımız, GaSb altlık ile örgü uyumlu dört bileşenli GaInAsSb alaşımlar 0.5 eV kadar dar bir bant aralığı ile büyütülebilirler. Bu tez çalışmasında, GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb TPV hetero diyotların elektriksel ve optik özellikleri incelenmiştir. Farklı aktif bölge çaplarına sahip benzer yapılı diyotların farklı sıcaklıklarda akım – gerilim karakteristikleri incelenerek karanlık akım mekanizmaları tespit edilmiştir. Farklı ışık yoğunluklarında fotoakım – gerilim karakteristikleri incelenen yapılardan 2 mm aktif bölge çaplı n-GaSb/n-GaInAsSb/p-GaAlAsSb TPV diyotun daha belirgin ışık duyarlılığının olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, eklem temas potansiyeli değerinin tespit edilebilmesi için genel olarak kullanılan I–V ve C-V karakteristiklerine ek olarak ilk kez geliştirmiş olduğumuz optik deney düzeneği ile farklı fotodiyotların temas potansiyelleri ölçülmüş ve sonuçların literatürdeki değerler ile uyum sağladığı görülmüştür. İncelenen yapı için elde edilen sonuçlar göz önünde bulundurulduğunda n-GaSb/n-GaInAsSb/p-GaAlAsSb TPV diyotun TPV sistemler için kullanışlı ve geliştirilmeye açık olduğu kanaatine varılmıştır.

Thermophotovoltaic (TPV) systems absorb the infrared radiation emitted by a heated source and produce electrical energy by way of the photovoltaic effect. It is important for the TPV diodes in the TPV systems to have bandgaps as narrow as possible. Therefore, investigations focus on III – V compound semiconductors and their ternary and quaternary alloys. Quaternary III – V alloys are important for TPV diodes due to the possibility of controlling both the bandgap and the lattice constant. Quaternary GaInAsSb alloys that investigated in this study can be grown lattice matched to GaSb substrates with bandgaps as low as 0.5 eV. In this research, the electrical and optical properties of the GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb TPV hetero diodes were investigated. Current – voltage characteristics of the diodes with different active region diameter and same structure were analyzed and dark current mechanisms of the diodes were obtained. It is observed from the photocurrent – voltage characteristics at different light intensities that n-GaSb/n-GaInAsSb/p-GaAlAsSb TPV diode with 2 mm active region diameter has more clear light sensitivity than the other structures. Additionally, besides the conventional I – V and C – V methods, the built-in potential value of different photodiodes was measured by an optical setup that we designed for the first time and it is found that the results are in good agreement with the literature. Considering the results of the investigated structures, n-GaSb/n-GaInAsSb/p-GaAlAsSb TPV diode is believed to be convenient and suitable for development.