عنوان پایان‌نامه
بررسی سنتز لایه های نازک نانو ساختار نیمه هادی کالکوپیریت به روش لایه نشانی الکتریکی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1038;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 58712
- تاریخ دفاع
- ۰۵ مرداد ۱۳۹۲
- دانشجو
- علیرضا خانکی
- استاد راهنما
- حسین عبدی زاده
- چکیده
- در این پژوهش، لایه های نازک نانو ساختار نیمه رسانای کالکوپیریتCuIn1-xGaxSe2 (CIGS) در طی یک فرآیند دو مرحله‌ای ساخته شدند. در مرحله اول، نانو ذرات CIGS به روش نوین سالوترمال بهینه شده از طریق کنترل بر روی فشار داخلی محفظه و استفاده از همزن در طی انجام واکنش ها تهیه شدند. در این مرحله، منابع کلریدی مس، ایندیم و سلنیم به همراه منبع نیترات گالیم و تری اِتیلن تتراآمین به عنوان حلال مورد استفاده قرار گرفتند. تاثیر پارامترهای روش شامل غلظت، دمای واکنش، زمان فرآیند، فشار داخلی، همزدن و تاثیر جایگزینی گالیم به جای ایندیم بر خواص نانو ذرات مورد بررسی قرار گرفتند. در مرحله دوم، لایه های نازک CIGS از طریق لایه نشانی الکتروفورتیک و با استفاده از سوسپانسیون ذرات سنتز شده در مرحله اول ساخته شدند. در این مرحله نیز، اثرات پنج پارامتر اندازه ذرات پودرهای مورد استفاده، نوع محیط الکتروفورتیک، غلظت پودرها، نوع الکترود های کاتد (زیرلایه) و آند و فاصله بین دو الکترود به عنوان پارامترهای اولیه، و سه پارامتر ولتاژ اعمالی، زمان فرآیند و جایگزینی گالیم به جای ایندیم به عنوان پارامترهای اصلی، مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج به دست آمده از مرحله اول نشان داد که استفاده همزمان از همزن و فشار داخلی kPa 400 در روش سالوترمال بهینه شده تاثیر بسزایی در سنتز تک فاز و افزایش کریستالینیته نانو ذرات CIGS در زمان‌های کوتاه فرآیند مانند h 1/5 دارند. اندازه گیری های اپتوالکترونیکی نیز تایید می‌کند که نانو ذرات CIGS دارای شکاف انرژی در محدوده 05/1 تا eV 1/38 می باشند که با مقادیر بالک آن ها همخوانی مناسبی دارد. نتایج به دست آمده از ساخت لایه های نازک در مرحله دوم نیز نشان داد که ذرات پودری سنتز شده در زمان فرآیند min 45، با درصد وزنی 3/6 در محیط اتانول خالص به همراه تری اِتیلن تتراآمین با pH در حدود 5/11، الکترود‌های FTO به عنوان آند و کاتد، ولتاژ اعمالی V/cm 110 و زمان لایه نشانی min 45 بهینه مقادیر جهت تهیه لایه های نازک CIGS با ضخامتی در حدود µm 6-7، شفافیت 20% و تخلخل های کم می باشند.
- Abstract
- Thin films of I-III-VI compound semiconductors (chalcopyrites) are recently considered as one of the most promising groups of materials for application as absorber layers in solar cells due to their suitable direct band gap energy and high optical absorption coefficient. In this research, CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) thin films were synthesized in a two-stage process. In the first stage, CIGS nanopowders were synthesized by a new modified solvothermal process which utilized a controllable internal pressure and a stirring system during the process. The effects of process parameters on the synthesis and characterization of CIGS nanopowders were studied including precursors’ concentration, reaction temperature, process time, internal imposed pressure, stirring, and Ga substitution with In. Chloride sources of copper, indium, and selenium powders along with gallium nitrate powder were used as precursor materials which were dissolved in triethylenetetramine as a solvent at various synthesis conditions to prepare final products in a specific autoclave. At the second stage, CIGS thin films were prepared by electrophoretic method using CIGS nanoparticle inks, synthesized at the first stage. Crystal structure, morphology, and optical properties of prepared CIGS nanopowders and thin films were characterized. The results derived from the first stage indicate that using both a stirring system and internal imposed pressure of 400 kPa have significant effects on synthesis of single phase CIGS nanopowders and their crystallinity in short process time of 1.5 h. Through micrograph studies, particles with special rosette morphology were observed. Furthermore, optical measurements revealed that the band gap energies for prepared CIGS particles (1.05-1.38 eV) are close to those of bulk materials. From the results of the second stage, it is concluded that nanopowders with the synthesis conditions including: reaction temperature of 220 °C, process time of 45 minutes, and internal imposed pressure of 400 kPa by having the lowest particles’ size, 6.3 wt% in a media containing absolute ethanol and TETA with pH near to 11.5, FTO electrodes as anode and cathode, applied voltage of 110 V/cm, and 45 min time of deposition were the best conditions for synthesizing of CIGS thin films with the thicknesses of 6-7 ?m, 20% transparency, and low porosities.
