بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله نانوذرات CIGS به روش سولوترمال سنتز شده است. سپس تاثیر استفاده از پیشماده ایندیوم به صورت فلزی و نمک InCl3 بر روی نانوذرات CIGS مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده شده است که با استفاده از ایندیوم فلزی نانوذرات سنتز شده دارای دو فاز CIGS با نسبت In/Ga=3/7 و CGS به طور همزمان بوده در حالی که با استفاده از InCl3 نانوذرات سنتز شده به صورت تک فاز CIGS با نسبت In/Ga=1 بدست آمده است. سپس انرژی گاف نانوذرات تکفاز با استفاده از طیف جذبی حساب شده که مقدار آن برابر با4/6 الکترونولت محاسبه شد. و در نهایت برای بررسی شکل و سایز نانوذرات از عکسهای SEM استفاده شده است که اندازه ذرات 19nm بدست آمد.
مقدمه
با افزایش روزافزون نیاز بشر به انرژی، جستجو برای پیدا کردن منابع انرژیی که بتوانند این نیاز را برطرف کنند افزایش یافته است. با توجه به منابع انرژی موجود در دسترس بشر، انرژی خورشیدی به عنوان منبع اصلی تامین انرژی در آینده به شمار میرود. برای استفاده از این منبع انرژی از سلولهای خورشیدی مختلفی از قبیل سلولهای سیلیکونی، گالیوم آرسناید، سلولهای رنگدانهای، سلولهای CIGS و ... استفاده میشود. در میان سلولهای مختلف خورشیدی، سلولهای CIGS با توجه به ویژگیهای منحصر به فردی که دارند توجهات زیادی را به خود جلب کردهاند. از ویژگیهای این سلولها میتوان به قابلیت تعیین و تغییر انرژی گاف، قابلیت لایهنشانی بر روی سطوح قابل انعطاف مانند فویلهای فلزی، پایداری بالا در مقابل تابش، روشهای متنوع ساخت، ضریب جذب بالا و ... اشاره کرد.
یکی از روشهای ساخت این سلولها، استفاده از نانوذرات CIGS برای تشکیل لایه به منظور استفاده در سلولهای خورشیدی میباشد. در این روش ابتدا نانوذرات CIGS سنتز شده و سپس توسط روشهایی مانند اسپری کردن و یا لایهنشانی چرخشی برای تشکیل لایه بکار میروند. معمولترین روش برای سنتز این نانوذرات استفاده از روش سولوترمال است. در هنگام سنتز نانوذرات CIGS به روش سولوترمال دو مشکل معمولا بوجود میآید: اول اینکه سنتز فاز CIGS به تنهایی مشکل است و معمولا همراه با آن فازهای دیگری مثل CIS نیز سنتز میشود.
مشکل دوم این است که نوع مواد اولیه و شرایط سنتز در تعیین فاز نهایی سنتز شده از اهمیت خاصی برخوردار است. در این تحقیق موفق شدیم ابتدا نانوذرات CIGS را به صورت تک فاز سنتز کنیم که اینکار با تغییر شرایط دمایی حاصل شد و پس از آن تاثیر استفاده از ایندیوم فلزی و ایندیوم کلراید به عنوان پیشماده ایندیوم بر روی این نانوذرات سنتز شده مورد بررسی قرار گرفت.
مراحل آزمایشگاهی
ایندیوم فلزی، ایندیوم کلراید، گالیوم کلراید، پودر مس، پودر سلنیوم و اتیلندیآمین به عنوان حلال، همگی با خلوص 99/99% و ساخت شرکت مرک - Merck - به عنوان مواد اولیه استفاده شدهاند. برای سنتز نانوذرات CIGS ابتدا محلولی شامل 0/038 گرم مس، 0/082 گرم از سلنیوم، 0/06 گرم از InCl3 و 0/04 گرم از GaCl3 را در 100mL از اتیلن دیآمین حل کرده و سپس محلول حاصل بعد از مدتی که به مقدار کافی همزده شد در داخل اتوکلاو گذاشته و در آون گرم شده است.
برای سنتز این نانوذرات از دو مرحله زمان گرمادهی استفاده میشود. در مرحله اول مواد اولیه به مدت 12 ساعت تحت دمای 170oC گرم شده و سپس به مدت 12 ساعت دیگر تحت دمای 220oC گرم شدهاند. بعد از اتمام سنتز ماده حاصل توسط آب دوبار تقطیر شده، شستشو شده و به مدت 24 ساعت تحت دمای 100oC خشک شده است. برای بررسی ساختار مواد سنتز شده از طیف XRD استفاده شده است. دستگاه SEM ساخت شرکت Philips مدل XL-30 ESEM برای عکسبرداری از نانوذرات و بررسی اندازه ذرات مورد استفاده قرار گرفته است. برای بدست آوردن گاف انرژی مربوط به نانوذرات نیز از طیف جذبی استفاده شده که این طیف توسط دستگاه shimadzu model UV-1800 بدست آمده است.
نتایج آزمایشگاهی
شکل - - 1 نتایج حاصل از سنتز نانوذرات CIGS با استفاده از ایندیوم فلزی و ایندیوم کلراید را نشان میدهد. همانطور که در شکل -1الف مشخص است با استفاده از ایندیوم فلزی همراه با سنتز نانوذرات CIGS نانوذرات CGS نیز سنتز شده است. این موضوع حکایت از این دارد که میزان ایندیوم در دسترس در محلول برای تبدیل CGS به نانوذرات CIGS کم بوده است. اما در طیف دوم که مربوط به نانوذراتی است که توسط ایندیوم کلراید سنتز شدهاند تک فاز CIGS سنتز شده و دیگر فاز CGS وجود ندارد. با مقایسه این دو نوع سنتز به این نتیجه میرسیم که در هنگام استفاده از ایندیوم کلراید در مقایسه با ایندیوم فلزی میزان ایندیوم بیشتری در دسترس قرار میگیرد و در واکنش شرکت میکند.
نکته دیگری که در مورد سلولهای CIGS از اهمیت زیادی برخودار است نسبت In/Ga است زیرا همین نسبت است که تعیین کننده انرژی گاف در این سلولها میباشد. در نمونه 1 که با استفاده از ایندیوم فلزی سنتز شده است این نسبت 7 به 3 بوده در حالی که در نمونه 2 که با استفاده از ایندیوم کلراید سنتز شده است این مقدار برابر 1 بوده است یعنی نسبت ایندیوم به گالیوم برابر است. بدست آوردن نسبتهای مختلف In/Ga در سنتز این توانایی را ایجاد میکند که بتوان سلولهای خورشیدی با بازدههای قابل کنترل درست کرد که از اهمیت زیادی برخوردار است.
طیف جذب اپتیکی
شکل 2 طیف جذب مربوط به نانوذرات سنتز شده را نشان می-دهد. همانطور که در هر دو شکل مشخص است نانوذرات نمونه 1 در طول موج 223nm و نمونه 2 در طول موج 230nm یک پیک جذب را از خود نشان دادهاند و در طول موجهای دیگر جذب خاصی ندارند. از این طیف جذبها استفاده شده تا انرژی گاف مربوط به نانوذرات بدست آید. برای این کار از رابطه - 1 - استفاده شده است. که در این رابطه n برای نانوذرات CIGS برابر 0/5 است.
شکل :1 طیفهای XRD مربوط به نانوذرات CIGS سنتز شده: الف - با استفاده از ایندیم فلزی، ب - با استفاده از ایندیوم کلراید براساس این رابطه - h - 2 بر حسب h رسم شده است.همانطور که در شکل 2 نشان داده شده انرژی گاف بدست آمده برای نانوذرات سنتز شده بوسیله ایندیوم فلزی برابر با 4/9 الکترونولت و برای نانوذرات سنتز شده با ایندیوم کلراید برابر 4/6 الکترونولت است.
عکسهای SEM
در شکل - 3 - عکسهای SEM مربوط به نانوذرات سنتز شده نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشخص است نانوذرات نمونه 2 در مقایسه با نانوذرات نمونه 1
