17131

17131

بررسي عوامل فرآيندي بر ريزساختار و خواص فيزيكي تركيب CuInS2 لايه نشاني شده مورد استفاده در سلول هاي خورشيدي

كارشناسي ارشد

سراميك

زمستان 1395

دكتر سيد محمد ميركاظمي - دكتر سميه اعلم الهدي

دكتر ياسر وحيدشاد

مواد و متالورژي

هدف از تحقيق حاضر بررسي عوامل فرآيندي به منظور سنتز يك كلوئيد پايدار براي استفاده در لايه-نشاني تركيب CuInS2 و همچنين بررسي عوامل مؤثر بر لايه نشاني لايه CuInS2 مورد استفاده در لايه جاذب براي سلول هاي خورشيدي لايه نازك كالكوپيريتي است. همچنين اثر شرايط مختلف سنتز بر ساختار بلوري و خواص نوري ذرات مورد بررسي قرار گرفته است. اثر عوامل فرآيندي بر ساختار بلوري و طيف جذب نوري به ترتيب توسط آناليز پراش پرتو ايكس (XRD) و طيف سنجي ماوراءبنفش و مرئي (UV-VIS) بررسي شد. همچنين براي بررسي مكانيزم تشكيل كمپلكس تركيب هاي واسطه، از آناليز طيف سنج تبديل فوريه مادون قرمز (FT-IR) به منظور تشخيص پيوندهاي تشكيل شده بين مواد آلي و غيرآلي بهره گرفته شد. نتايج حاصله از آناليزها نشان دادند كه ذرات سنتز شده توسط روش ترموليز، با استفاده از نمك هاي كلريد مس، سولفات اينديوم و تيواوره در حلالي شامل دي اتيلن گليكول و اتيلن دي آمين به همراه پلي وينيل پيروليدون به عنوان عامل فعال سازسطحي، در دماي C°80 تشكيل كمپلكس داده و در دماي C°240 تجزيه شده و تشكيل ذرات را مي دهند و تركيب محلول جامد مورد نظر پس از مدت 1 ساعت به ساختار بلوري كالكوپيريت همراه با ساختار ورتزيت (چند نوعي) براي ذرات تك فاز CuInS2 با ميانگين اندازه ذره nm40 منجر مي شود. نانوذرات سنتز شده تحت شرايط ذكر شده، جذب در نواحي مادون قرمز نزديك و مرئي را در nm820 و nm730 از خود نشان دادند كه به ترتيب مربوط به فاز كالكوپيريت و ورتزيت است. همچنين شكاف انرژي معادل eV45/1 براي نانوذرات سنتز شده تحت شرايط ذكر شده به دست آمد كه تطابق مناسبي با مقدار تئوري داشته و مناسب براي ساخت لايه جاذب سلول خورشيدي است. كلوييد پايداري با نسبت 1 درصد وزني از اين ذرات در حلال اتانول تهيه و پس از اعمال فرآيند ارتعاش مافوق صوت براي لايه نشاني آماده شد. با حضور پيك هاي عواملي نظير پلي وينيل-پيروليدون، دي اتيلن گليكول، اتيلن دي آمين و تيواوره در سطح نانوذرات در آناليز FT-IR ، اين عوامل به عنوان عوامل فعال كننده سطحي در سطح ذرات افزايش پايداري كلوييد تهيه شده كمك كردند. اين كلوييد با استفاده از روش رسوب دهي الكتروستاتيك افشانه اي (الكترواسپري) با اعمال ولتاژهاي 24، 26 و kV28، نرخ جريان 1، 2 و μl/min3 و فواصل 60، 80 و mm100 نازل تا زيرپايه ، بر زيرپايه از جنس اكسيد قلع دوپ شده با فلوئور پوشش داده شد. پس از فرآيند رسوب دهي، عمليات حرارتي به منظور افزايش بلورينگي و چسبندگي بر لايه هاي رسوب داده شده در دماي C°500 انجام شده است. اين عمليات در حضور پودر سولفور براي ايجاد فشار بخار مثبت گوگرد و عدم خروج گوگرد از تركيب محلول جامد انجام شد. پس از بررسي ريزساختار توسط تصاوير ميكروسكوپ هاي نوري(OM) ، الكتروني روبشي(SEM) و الكتروني روبشي گسيل ميداني (FE-SEM) مشخص شد كه شرايط مناسب براي تشكيل لايه اي يكنواخت با ضخامت μm1، ولتاژ kV26، نرخ جريان μl/min2 و فاصله نازل تا زيرپايه mm80 است. لايه CuInS2 جذب نوري مناسبي را در محدوده طول موج مرئي با انرژي جذب در nm760 از خود نشان داد و همچنين شكاف انرژي معادل eV5/1 براي اين لايه حاصل شد. واژه‌هاي كليدي: ذرات CuInS2، ترموليز، چند نوعي (كالكوپيريت و ورتزيت)، الكترواسپري، كلوييد.

1396/01/28

1/1/1900 12:00:00 AM

This work is a contribution to the obtain of CuInS2 stable colloidal which is applied in the deposition of CuInS2 compound by electrostatic spray method as a absorbance films to chalcopyrite thin film solar cells. Furthermore, the effect of different synthesis conditions on the crystalline structure an​d optical properties of the synthesized particles has been studied. The effects of process parameters on the crystalline structure an​d optical absorption spectra were investigated by X-ray diffraction (XRD) an​d ultraviolet an​d visible spectroscopy (UV-VIS), respectively. Moreover, to investigate the mechanism of intermediate compounds complex formation, Fourier transform infrared (FT-IR) in order to determine bands formed between organic an​d inorganic materials were used. A versatile method for a relatively low temperature synthesis of metastable CuInS2 nanocrystals using copper chloride salt, indium sulfate an​d thiourea in a solvent containing diethylene glycol an​d ethylenediamine with polyvinylpyrrolidone as a surfactant has been developed. The complex formed at 80°C an​d it decomposes at 240°C then particles form an​d after one hour the combination of solid solution changes to monophasic CuInS2 particles with a chalcopyrite an​d wurtzite structure (polytypism) with an average particle size 40nm. By the presence of peaks such as polyvinylpyrrolidone, diethylene glycol, ethylenediamine an​d thiourea on the surface of the nanoparticles in the analysis of FT-IR, these factors as a surfactant increase the stability of colloidal particles. Synthesized nanoparticles under the mentioned conditions, showed the absorption in visible areas an​d near IR at 820nm an​d 730nm which are related to chalcopyrite an​d wurtzite phases, respectively. The band gap of 1.45eV was obtained for the synthesized nanoparticles under the mentioned conditions which were in good agreement with the theoretical value an​d is suitable for making solar cell absorber layer. A stable colloid with 1 wt. % of these particles which dispersed in ethanol by applying ultrasonication was ready to film deposition. This colloid deposited on FTO glass by electrostatic spray deposition method by applying the voltages of 24, 26 an​d 28 kV, flow rates of 1, 2 an​d 3μl/min an​d the distance between nozzle to substrate of 60, 80 an​d 100 mm. After deposition process, heat treatment at 500°C was applied on deposited layers to enhance crystallinity an​d adhesion. The heat treating was carried out in the presence of sulfur powder to create a positive vapor pressure of sulfur an​d prevent sulfur leaving from composition of solid solution. After studying the microstructure using an optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM) an​d scanning electron field emission microscope (FE-SEM) images, it was identified that the suitable conditions to form a uniform layer with 1μm thickness are voltage of 26kV, flow rate of 2μl/min an​d nozzle to substrate distance of 80mm. The CuInS2 layer showed a high optical absorption in the visible wavelength range at 760nm an​d the band gap of 1.5 eV was obtained for this layer. Keywords: CuInS2 particles, thermolysis, polytypism (chalcopyrite an​d wurtzite), electrospray, colloid.