بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش با استفاده از روش هیدروترمال، آرایههایی از نانوسیم های ZnO ساخته شده است. به منظور بررسی امکان استفاده از این نانوسیمها در ساخت قطعات فوتوولتایی، برای مثال سلولهای خورشیدی رنگدانه ای، زیرلایه ITO - اکسید قلع ایندیوم - ، انباشت شده بر روی شیشه، مورد استفاده قرار گرفته است. برای تهیه این زیرلایه، از اسپاترینگ DC، استفاده شده است. در این روش، ابتدا با استفاده از محلول اتانولی استات روی - با غلظت mM۵ - ، سطح زیرلایهها دانهدار میشود. سپس، از تجزیه گرمایی هگزاهیدرات نیترات روی و هگزامتیلنتترامین - HMTA - ، با غلظتmM ۵۲ و حل شده در آب مقطر، برای رشد آرایه های نانوسیمی استفاده میشود. محصول نهایی نانوسیم هایی با قطرهایی در بازه ۰۰۱ تا ۰۰۵ نانومتر و طولهایی در بازه ۱ تا ۵ میکرومتر است. تصاویر SEM، ساختار وورتسیت ششگوشه را به خوبی، نمایان میکند. همچنین الگوی XRD بدست آمده از پودرهای تولید شده، ساختار بلوری ZnO با قلههای مربوط به ساختار وورتسیت را نشان میدهد. علاوه بر این، وابستگی تراکم سطحی نانوسیم ها و هم خطی آرایهها، به یکنواختی زیرلایه دانه دار، دما و غلظت محلول بررسی شده است.
مقدمه
هدف از این تحقیق، تولید نانوسیمهای نیمه رسانا و استفاده از این نانوساختارها در قطعات فوتوولتایی است. در میان استفاده از اکسیدهایی با ساختار یک بعدی، ZnO بیشترین گزارشها را به خود اختصاص داده است، که دلیل آن، سهولت کنترل رشد ناهمسانگرد آن میباشد. ZnO نیمه رسانایی با گاف نواری مستقیم پهن است. این گاف نواری مناسب برای بیشینه شدن جذب نور در سلولهای خورشیدی است، بعلاوه ZnO غیرسمی است و پایداری گرمایی و شیمیایی بالایی دارد و هزینه بالای ساخت قطعات فوتوولتایی را تا حدودی کاهش می دهد ]۲- ۱.[انباشت در حمام شیمیایی، یکی از روشهای کمهزینه و تکرار پذیر برای تولید ساختارهای ZnO میباشد. به عنوان مثال، به کمک این روش میتوان در مساحت وسیعی، آرایههای نانوسیمی ZnO را، برای استفاده در سلولهای خورشیدی رنگدانهای، حسگرهای گازی و نانو لیزرها، تولید کرد ]۲.[
برای ساخت آرایههای نانوسیمی همخط شده، که به طور عمودی بر زیرلایه رشد کرده باشند، میتوان در ابتدا، سطح زیرلایه را با نانوبلورهای جهتدار - نانوذرات با ساختار بلوری و یا نانومیلههای با ارتفاع کم - پوشش داد. این نانو ذرات بلوری، به عنوان جایگاه رشد بعدی نانوسیمها، عمل میکنند. به عنوان مثال، میتوان از یک فیلم نازک ZnO یا لایهای ناپیوسته از دانههای نانو مقیاس ZnO برای رشد آرایههای عمودی نانوسیمی استفاده کرد. به نظر میرسد اختلاف در پهنای نانوسیمهای رشد داده شده، مربوط به ناهمگن بودن لایه نانو ذرهای استفاده شده به عنوان هسته اولیه رشد، میباشد ]۶- ۲.[
روش کار: لایه نشانی ITO بر روی شیشه
فیلمهای اکسید ایندیوم قلع - ITO - به دلیل داشتن دو خاصیت رسانندگی و شفافیت همزمان، کاربردهای زیادی در صنایع اپتوالکترونیک دارند. فیلم نازک ITO ، یک نیمه رسانای نوع n است، که میتواند به عنوان دهنده حفره در مکانیسم تولید جریان در یک سلول خورشیدی عمل کند ]۸-۷.[ از این رو در ابتدا، با استفاده از دستگاه لایه نشانی چندمنظوره - Multi Purpose - Coating، به روش اسپاترینگ مگنترونی DC، با توان W ۰۲۱، به مدت ۰۱ دقیقه، لایهای با قطر تقریبی nm ۰۰۹، تولید شده است. استفاده از یک فرآیند آنیلینگ موجب بهبود خواص بلوری و افزایش شفافیت فیلمها می گردد. الگوی XRD به وضوح ساختار بلوری این فیلمها را نشان میدهد - شکل۱ - این. الگو، دقیقاً، منطبق بر پراش پرتو x از بلور اکسید ایندیوم، با ساختار بلوری مکعبی است. عدم وجود پیکهای پراش، منطبق با پراش از بلور اکسید قلع، به دلیل درصد کم آلایش تارگت، بوسیله این ماده می باشد.
رشد دانههای نانوبلوری ZnO ، بر روی زیرلایه ITO
در اینجا با استفاده از محلول اتانولی استات روی، لایه دانهای ZnO را بر روی سطح زیرلایه ITO ، بوجود آوردهایم. به این صورت است که در ابتدا زیرلایههای شیشهای دارای پوشش ITO، را با استفاده از التراسونیک در حمامهای استون، اتانول و آب مقطر، تمیز میکنیم. سپس به روش لایه نشانی غرقی یا چکاندن قطره، زیرلایهها با لایهای از استات روی حل شده در اتانول - با غلظت mM۵ - پوشش داده می شوند. این مرحله به منظور بهبود کیفیت لایه دانهای، چند بار تکرار میشود و پس از هر بار لایه نشانی، زیرلایه با اتانول خالص شسته شده و در جو نیتروﮊنی خشک می گردد. به این ترتیب زیرلایه، با فیلم نازکی از استات روی، پوشیده میشود. این فیلم نازک در کوره در دمای °C ۰۵۳،به مدت ۰۳ دقیقه، به صورت ZnO جزیرهای - دانهای - در میآید. این دانهها جایگاهی برای رشد بعدی نانوسیمها محسوب میشوند.
تولید نانوسیمهای ZnO با استفاده از روش محلول بر روی زیرلایه ITO
با استفاده از فرآیند رشد هیدروترمال، نانوسیمها و نانومیلههای ZnO، با طولهایی در بازه µm۵-۱ و قطرهایی در حدود nm۰۰۵-۰۰۱ رشد داده شدهاند. در این فرآیندها از تجزیه گرمایی نمکهای روی، استفاده شده است. در ابتدا یک محلول mM۵۲ از هگزاهیدرات نیترات روی و هگزامتیلنتترامین - HMTA - ، با نسبت مولی یکسان، تهیه میشود. زیرلایههای دانهدار، در بازههای زمانی مختلف، در دمای °C۵۹، درون محلول قرار میگیرند. پس از اتمام زمان واکنش، زیرلایهها تا دمای اتاق سرد شده و از محلول خارج میشوند. در این مرحله، برای بهبود ساختار بلوری ZnO و برداشتن آلودگیهای آلی و غیرآلی به جا مانده از محلول واکنش، زیرلایهها در دمای °C۰۰۴، به مدت ۰۳ دقیقه، حرارت داده میشوند.
الگوی XRD - شکل۲ - و تصاویر SEM - شکل۳ - ساختار بلوری و ششگوشه نانوسیمهای تشکیل شده را، به خوبی نشان میدهد. بعلاوه، پودرهای به دست آمده از واکنش، نانوساختارهای بلوری هستند - شکل۴ - . نتایج نشان میدهد که، با افزایش دما قطر نانوسیمها افزایش می یابد، به طوریکه در دماهای بالاتر، ساختارها به نانومیله تبدیل می شوند. همچنین یکنواختی قطر نانوسیمها، با افزایش دما کمتر می شود. در دماهای °C ۵۹-۰۸ ، قطر نانوسیمهای رشد داده شده، در حدود nm۰۰۱ است و یکنواختی قطر در مورد آنها مشاهده میشود. در حالیکه در دماهای بالای °C ۵۹، قطرهایی غیر یکنواخت، در بازه nm۰۰۵-۰۰۱دارند - شکل۵ - .
