20038

۲۰۰۳۸

تاثير عوامل فرآيندي بر ريز‌ساختار و خواص نوري نانوذرات كالكوپريتي CuInS2 (CIS) سنتز شده به روش سونيكيشن-هيدروترمال

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد - سراميك

۱۳۹۴-۱۳۹۷

۱۳۹۷/۷/۲۱

دكتر سيد محمد ميركاظمي - دكتر علي بيت الهي

مواد و متالورژي

در اين پروژه سنتز ذرات CuInS2 به كمك روش هيدروترمال در دماي °C180 و مدت زمان 20 ساعت با موفقيت صورت گرفت. همچنين در ادامه اثر كويتاسيون (فراصوت) بر جوانه‌زايي، مورفولوژي ذرات نهايي و ميزان جذب نور نمونه‌هاي سنتز شده در مدت زمان 18 ساعت و دماي °C180 مورد بررسي قرار گرفت. بدين منظور براي انجام فرآيند هيدروترمال از پيش‌ماده‌هاي نمك كلريد مس، نمك كلريد اينديوم و تيواوره به ترتيب با نسبت‌هاي مولي 2:1:1 و حلال آب ديونيزه در دما و زمان‌هاي مختلف سنتز انجام شد و براي تشخيص فاز نهايي از آناليز XRD استفاده شد. بهترين نمونه در دماي °C180 و مدت زمان 20 ساعت به صورت تك فاز در محدوده دقت XRD و به صورت مخلوط پلي‌مورف كالكوپريت و مقدار بسيار اندك و جزئي وورتزيت بدست آمد. سپس به منظور انجام آناليز ريزساختاري از تست FESEM در بزرگ‌نمايي‌هاي مختلف استفاده شد. ذرات بدست آمده داراي مورفولوژي گل-شكل بودند. اندازه اين ذرات در حدود μm6 و اندازه ضخامت صفحات گلبرگ‌هاي آن در حدود nm40 بود. درنهايت براي تعيين انرژي باند ممنوعه ذرات CIS از آناليز DRS استفاده شد. بدين ترتيب انرژي باند ممنوعه براي نمونه سنتز شده در دماي 20 ساعت و دماي °C180 در حدود eV5/1 محاسبه شد كه بر اساس منابع منطبق با انرژي باند ممنوعه CIS بود. همچنين به منظور بررسي اثر فراصوت پروپي در مدت زمان 15 و 45 دقيقه و توان 200 و 300 وات به سوسپانسيون مواد اوليه اعمال شد و سپس همه‌ي آن‌ها در مدت 18 ساعت و دماي °C180 هيدروترمال شدند. مشاهده شد كه همگام با افزايش زمان و توان اعمال فراصوت، درجه بلورينگي ذرات CIS كاهش يافته و همچنين با ايجاد عيوب تشعشعي نظير جاي خالي ثوابت شبكه a و c پيوسته كاهش يافته‌است. اما تاثير كويتاسيون بر مورفولوژي و جذب به‌صورت پيوسته صورت نگرفته است. كويتاسيون تا توان 300وات و مدت 15 دقيقه سبب تسريع در تشكيل ذرات گل-شكل شده و افزايش زمان بيشتر تنها موجب تشكيل آگلومره‌هاي شديد در ذرات CIS شده است. همچنين در بين نمونه‌هاي كويتاسيون شده كمترين ميزان جذب نور مربوط به نمونه فراصوت پروپي شده در مدت 45 دقيقه و توان 200 وات بوده و بيشترين ميزان جذب نور براي نمونه كويتاسيون شده در مدت 15 دقيقه و توان 300 وات بوده‌است. واژگان كليدي: CuInS2، كالكوپريت، سنتز هيدروترمال، فراصوت، ذرات گل-شكل

1397/11/14

Effect of processing parameters on microstructure and optical properties of CuInS2 (CIS) chalcopyrite nanoparticles synthesized by cavitation-hydrothermal method

2/3/2019 12:00:00 AM

While conventional fossil fuels are fast vacating, the worldwide energy demand is increasing due to fast growth of industrialization and population. During the recent years, photovoltaics have promised to emerge as a viable energy technology and environmentally benignant. The ternary I-III-VI2 semiconductors, particularly CuInX2 (X= S, Se) have several favorable properties as absorber layer in thin film solar cells. CuInS2 (CIS) due to its direct band gap (≈ 1.50 eV), high absorption coefficient (α ≈ 105) and radiation stability is one of these promising materials for solar cell applications. Vacuum based procedure is currently used for fabricating highly efficient thin film solar cells because of its advantages like high quality films and high power conversion efficiencies. But some disadvantages such as highly cost productions, high temperature process under vacuum, high material waste and using toxic elements make researchers to develop alternative low cost and solution based techniques. Recently, many researchers have investigated non-vacuum approaches like evaporation, sputtering, spray pyrolysis, chemical method and etc. Among the main vacuum-free approaches, low temperature solution-based processes is one of the best techniques that doesn’t need any complicated instruments. This approach is based on the printing from precursor solution ink. The most important part of this method is synthesis of suitable particles and their stable colloidal ink. CIS nano objects with different morphologies such as nanorods, nanoparticles, nanowires and so on have been reported that prepared by using different methods included hot injection, microwave and solvothermal. Among of different methods Solvothermal is a simple and impressive method to controlled synthesis of diverse particles. The benefits of solvothermal method can be categorized in two main aspects: one; facility, high purity of products, low cost equipment and crystalline nature of products in this method. Two; flexibility of this method in synthesis of specific and controlled morphologies and facility in products separation while predominant morphology in other methods such as sol-gel, microwave, sonochemical, etc. is nanoparticles. But the required organic solvent such as ethylenediamine in solvothermal method is counted as drawback of this method as they are not environmentally friendly. Such organic solvents are also costly and easily evaporated. To avoid this problem, using deionized water as a more environmental friendly solvent rather than ethylenediamine and hydrothermal process is the better approach. In this research, effect of time and temperature and sonication on phase, morphology and optical properties of Copper Indium Disulfur (CuInS2, CIS) synthesized by hydrothermal method have been investigated. Chloride salts of copper (II) (Cucl2.2H2O) and indium (III) (InCl3.xH2O) and thiourea (CS(NH2)2) have been used as starting precursors and deionized water ,an environmentally friendly solvent, is used as solvent. Samples have been characterized using X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FESEM) and diffuse reflection spectroscopy (DRS). According to XRD results pure chalcopyrite CuInS2 phase successfully synthesized at 180°C and 20 hours with respect to XRD accuracy while impurity phases such as Covellite (Cu6S6) and Digenite (Cu5S9) have been disappeared. Flower-shape CIS particles with the average diameter of 5-6 μm and average petal width of 35-45 nm have been revealed by FESEM analysis and optical band gap calculated by DRS was in the range of 1.5 eV that is suitable for absorption material is thin film solar cell applications.