بخشی از مقاله
چکیده
نانو ذرات سیلیکون با خلوص بالا به وسیلهی فرآیند سنتز احتراقی در اثر انجام واکنش در نسبتهای مختلف منیزیم به سیلیکا مورد تهیه قرار گرفت. نتایج بدست آمده از ذرات سنتز شده نشان داد، روش سنتز احتراقی فرآیند موثری برای تهیه ذرات سیلیکون با خلوص بسیار بالا میباشد . به طوری که از جمله مزیتهای عمده این روش میتوان به سادگی و منحصر به فردی محصول آن اشاره کرد. از آنالیز الگوی پراش پرتو ایکس - XRD - به منظور تعیین نسبت بهینه و تعیین فازهای حاصل از احتراق استفاده گردید. بر اساس تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - Fe-SEM - اندازه ذرات سیلیکون در محدوده 30- 220 nm تعیین گردید.
همچنین به وسیلهی آنالیز عنصری - EDS - ذرات غنی از منیزیم و سیلیکون در ریز ساختار مورد شناسایی قرار گرفت. در ادامه به منظور افزایش خلوص ذرات بدست آمده از فرآیند احتراقی، ترکیبهای بین فلزی اضافی با استفاده از اسید هیدروکلریدریک، اسید استیک و اسید هیدروفلوئوریک حذف گردید. در نهایت خلوص ذرات نهایی با استفاده از آنالیز طیف سنجی جرمی توسط پلاسمای جفت شده القایی - ICP - برابر با % 99/9 اندازهگیری شد.
مقدمه
انرژی خورشیدی، به دلیل سازگاری با محیط زیست و همچنین عدم افزایش دمای کرهی زمین در مقایسه با دیگر منابع انرژی مدتهاست مورد توجه قرار گرفته است. در بین انواع گوناگون انرژی، سلولهای خورشیدی که ابزار پاک سازی محیط به شمار میآیند را میتوان به طور مستقیم برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته استفاده کرد. با توجه به رشد تقاضا برای منابع تجدیدپذیر، استفاده و ساخت سلولهای خورشیدی به طور چشمگیری در سال های اخیر افزایش یافته است.
برای رسیدن به بازدهی 18 تا 19 درصدی سلولهای خورشیدی در بالکهای چند کریستالی، به حداقل رساندن فلزات واسطه مانند آهن، نیکل، روی، تیتانیم و مس در مواد اولیه سلولهای خورشیدی - سیلیکون - لازم و ضروری است - Muller, Ghosha, Sonnenschein . - and Woditsch 2006به طوری که برای رسیدن به این هدف غالباً از دو روش سنتی احیای هیدروژنی SiHCl3 - فرآیند زیمنس - - Mara, Herring and Hunt, 1990 - و ایجاد مونوسیلان SiH4 به وسیلهی کاربید کبالت استفاده میگردد - Union . - carbide, 1981 اما وجود عیوب عمده در این روشها، مانند هزینه بالای تولید سیلیکون خورشیدی مانع از گسترش و رشد سریع سلولهای خورشیدی شده است.
از این رو یکی از راه کارهای موجود، استفاده از روشهای ارزانتر مانند فرآیندهای احیای کربوترمال - Aratani, Sakaguchi and Yuge, 1991; Schulze, Fenzl, Geim, Hecht and Aulich, 1984 - ، احیای الکترولیتی مستقیم در مذاب - Nohira, Yasuda and Ito, 2003; Yasuda, Nohira, Hagiwara and Ogata, 2007 - CaCl2 و یا سنتز احتراقی - Bao, 2007 - است که میتوان به سیلیکون با خلوص بالا دست پیدا کرد.
تا به حال محققان معیارهای زیادی را در تولید سیلیکون با خلوص بالا، مصرف انرژی کمتر، کاهش هزینه تولید و افزایش بازدهی فرآیند مورد بررسی قرار دادهاند، که به نتایج نسبی نیز در این رابطه دست یافتهاند - Bose, Govindacharyulu and Banerjee, 1982; Banerjee, Sen and . - Acharya, 1982 در پژوهش حاضر نانو ذرات سیلیکون با خلوص بسیار بالا با استفاده از عامل احیاکننده - منیزیم - در نسبتهای مختلف استوکیومتری به وسیلهی فرآیند سنتز احتراقی تهیه گردید. همچنین تاثیر پارامترهای مختلف از جمله نسبت عامل احیاکننده به سیلیکا، شرایط اسیدشویی و واکنشهای صورت گرفته در فرآیند هیدرومتالورژیکی به منظور دستیابی به خلوص بالا و هزینهی تولید پایین مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش تحقیق تهیه نانو ذرات سیلیکون
تحقیقات انجام شده در تهیه نانو ذرات سیلیکون خالص، نشان داده است که بیشترین بازده فرآیند هنگامی رخ میدهد که میانگین اندازه ذرات مواد اولیه نزدیک به یکدیگر باشد - Won, Nersisyan and Won, 2011 - ، به همین منظور ذرات سیلیکا و منیزیم با میانگین اندازه ذرات در محدوده 10- 15 µm، به ترتیب ساخت شرکت فلوکا و مرک مورد استفاده قرار گرفت. در ادامه میکرو ذرات منیزیم و سیلیکا با نسبتهای 1:1، 1:1/5، 1:2 و 1:2/5 با استفاده از همزن مغناطیسی مخلوط شدند. به منظور ایجاد توزیع یکنواخت مواد احیا کننده در مواد اولیه، مخلوط سازی با حداکثر توان به مدت 10 ساعت در دمای 70 با استفاده از ml 500 بنزن ادامه پیدا کرد.
استفاده از بنزن نه تنها باعث افزایش سیالیت مخلوط پودری و توزیع یکنواخت و همگن ذرات میگردد، بلکه باعث افزایش خاصیت چسبندگی ذرات پودری شده و در نهایت فشرده سازی آن را امکانپذیر میسازد . - Larbi, 2010 - سپس به منظور حذف رطوبت به جا مانده در محصول بدست آمده، مخلوط پودری به مدت 6 ساعت در دمای 120 C در داخل خشک کن نگهداری شد. همچنین نمونههایی به ارتفاع و قطر 2 cm با استفاده از پرس تک محوری با فشار 30 MPa تهیه گردید. در نهایت احیای ذرات سیلیکا در محفظهی خنثی تحت شرایط گاز آرگون با استفاده از ایجاد قوس الکتریکی با عبور جریان DC انجام پذیرفت.
