14441

14441

مطالعه رفتار ساختاري و نوري نانو ذرات CuAxB1-xS2 (A, B= In, Ga, Al and Fe) مورد كاربرد در سلول‌هاي خورشيدي

دكتري

مهندسي مواد

اسفندماه 1393

اسفندماه 1393

دكتر رضا قاسم‌زاده - دكتر اعظم ايرجي‌زاد

دكتر سيدمحمد ميركاظمي

مواد و متالورژي

چكيده هدف از اين تحقيق، بررسي خواص ساختاري، ريزساختاري و نوري تركيب¬هاي محلول جامد سه¬تايي و چهارتايي Cu-A-B-S (A, B=In, Ga, Al and Fe) سنتز شده با روش شيميايي مي¬باشد. پارمترهاي مختلف براي سه روش سنتز شيميايي تزريق داغ، سولوترمال و ترموليز، شامل نوع و مقدار حلال¬ها، نوع و مقدار كمپلكس¬سازها، دماي حل¬شدن و تشكيل كمپلكس، دما و زمان سنتز است. اثر اين پارامترها بر ساختار بلوري، شكل، ابعاد و توزيع اندازه ذرات سنتز شده CuInS2 به عنوان تركيب پايه در اين تحقيق بررسي مي¬شود. در روش سنتز ترموليز با استفاده از حلال اوليل¬ آمين يا در حالت ديگر با تركيبي از حلال اوليل ¬آمين و اولئيك اسيد و اكتادسن، دماي حل¬شدن و تشكيل كمپلكس در محدوده ºC90-60 و درنهايت حرارت¬دادن محيط واكنش تا ºC210 به مدت 4 ساعت مي¬تواند به ساختار بلوري كالكوپيريت همراه با ساختار جانبي ورتزيت (پلي¬تايپيزم يا چندريختي)، ذراتي با اندازه nm20-10 و توزيع باريك اندازه ذرات سنتز شود. سپس بعد از سنتز تركيب CuInS2، سنتز تركيب¬هاي سه¬تايي CuGaS2، CuAlS2 و CuFeS2 نيز با همان شرايط مورد بررسي قرار گرفته شد تا در نهايت با شرايط ذكر شده، تركيب¬هاي چهارتايي CuInxGa1-xS2، CuInxAl1-xS2 و CuInxFe1-xS2 سنتز شده و مورد مطالعه قرار گيرد. ساختار بلوري، اطلاعات شيميايي عناصر، شكل، اندازه و توزيع اندازه ذرات، محدوده جذب طيف نور و نشر فوتولومينسانس امواج الكترومغناطيسي تركيب¬هاي¬ سه¬تايي و چهارتايي سنتز شده به ترتيب به وسيله آناليزهاي پراش اشعه ايكس (XRD)، طيف¬سنجي فوتوالكترون اشعه ايكس (XPS)، ميكروسكوپ الكتروني عبوري- با وضوح بالا (HR-TEM)، طيف¬سنج جذب نوري ماوراء بنفش- مرئي- مادون قرمز نزديك (UV-Vis-NIR) و طيف¬سنج فوتولومينسانس (PL) مورد بررسي قرار گرفته شده است. همچنين براي بررسي مكانيزم تشكيل كمپلكس تركيب¬هاي واسطه، از آناليز طيف¬سنج تبديل فوريه مادون قرمز (FTIR) براي تشخيص پيوندهاي تشكيل شده بين مواد آلي و غيرآلي استفاده شده و مكانيزم سنتز احتمالي واكنش مورد بررسي قرار گرفته شده است. نتايج (پراش اشعه ايكس) نشان مي¬دهد كه فازهاي جانبي سولفيد مس (Cu2-xS) به غير از سنتز تركيب CuAlS2، در بقيه تركيب¬هاي سه¬تايي يا چهارتايي يا تشكيل نشده يا كمترين مقدار تشكيل شده را دارا مي¬باشد. تركيب سه¬تايي CuAlS2 فقط تحت شرايط شديداً احيايي، همراه با فشار و دماي بالاي آتوكلاو (بيش از bar10، C˚200) تشكيل شده و به غير از شرايط ذكر شده فازهاي جانبي سولفيد مس به صورت غالب تشكيل مي¬شوند. يون آلومينيوم حتي در مقادير مولي كم (20% نمك كلريد آلومينيوم) نمي¬تواند به صورت جانشيني به جاي اينديوم وارد ساختار بلوري شده و تشكيل محلول جامد چهارتايي دهد (نتايج پراش اشعه ايكس و طيف¬¬سنجي نوري). براي يون آهن تا مقادير 30% مولي نمك كلريد آهن جدايش فازي اتفاق نمي¬افتد و در مقادير بالاتر، تركيب CuFeS2 به صورت يك فاز مجزا تشكيل مي¬شود (نتايج پراش اشعه ايكس). براي گاليوم بدون هيچگونه جدايش فازي در مقادير %90-10، جانشيني يون گاليوم به جاي اينديوم انجام شده است (نتايج پراش اشعه ايكس و طيف سنجي نوري). شكل ذرات در سنتز تركيب¬هاي سه¬تايي و چهارتايي مجموعه¬اي از ذرات شش¬ضلعي (احتمالاً ناشي از فاز ورتزيت)، شبه سه¬ضلعي (احتمالاً ناشي از تشكيل فاز كالكوپيريت بر روي ورتزيت) و سه¬ضلعي (ناشي از تشكيل فاز كالكوپيريت) مي¬باشد. نتايج طيف¬نگاري فوتوالكتروني اشعه ايكس نشان مي¬دهد كه يون¬هاي عناصر اينديوم، گاليوم و آهن به صورت غالب با ظرفيت 3+ در تركيب محلول جامد سه¬تايي و چهارتايي وجود دارند و اينكه آهن و گاليوم وارد ساختار بلوري تركيب چهارتايي محلول جامد شده است. نتايج طيف¬سنجي جذب نوري نشان مي¬دهد كه با جانشيني گاليوم به جاي اينديوم، جذب نور از طول موج nm860 (CuInS2) به امواج با طول موج كوتاه¬تر nm745 (CuIn0.5Ga0.5S2) و nm560 (CuGaS2) انتقال مي¬يابد. همچنين با افزودن آهن محدوده جذب امواج الكترومغناطيس گسترده¬تر شده و به سمت امواج با طول موج بلند¬تر از نور مرئي (مادون قرمز نزديك) انتقال پيدا مي¬كنند كه اين گسترده¬تر شدن محدوده جذب نسبت به تركيب سه¬تايي پايه، به دليل قرارگيري نوارهاي مياني متشكل از اوربيتال d عنصر واسطه آهن در بين نوار ظرفيت و نوار هدايت تركيب CuInS2 مي¬باشد. واژه¬هاي كليدي: كالكوژنايدهاي سه¬تايي و چهارتايي، كالكوپيريت، ورتزيت، چندريختي، نانو ذره، محلول جامد، ترموليز.