بخشی از مقاله
چکیده
عملکرد سلولهای خورشیدی فیلم نازک CIS2 که بروش تمام محلول شیمیایی ارزان قیمت ساخته شدهاند. با تغییر در شرایط لایهنشانی لایهی ایندیوم سولفید در ساخت سلول خورشیدی به کار گرفته شد. لایههای ایندیوم سولفید با ضخامت کمتر از 100 نانومتر با روش اسپری پیرولیزز به دست آمد. همچنین دمای لایه نشانی و آهنگ اسپری کردن محلول پیش ماده برای ساخت لایهی بافر برای بدست آوردن حالت بهینه مورد بررسی قرار گرفته است. در بهترین حالت بازده 4/1 درصدبرای سلولهای خورشیدی ساخته شده اندازهگیری شد.
مقدمه
سلولهای خورشیدی CIGS بر پایهی روش محلول با ساختار رولایه1 امروزه یکی از حوزههای تحقیقاتی در بخش فوتوولتاییک است.[1] روشهای قبلی ساخت سلولهای خورشیدی CIGS بر پایهی تبخیر انجام میشود .[2] هر چند بازده بسیار بالایی تاکنون از این روش بدست آمده ولی با توجه به حجم نیاز بسیار بالا به انرژی، روشهای خلا نمیتوانند نیاز جامعهی جهانی را در سالهای آینده برطرف کنند. بر این اساس در سالهای اخیر روشهای بسیار زیادی برای تولید سلولهای خورشیدی CIGS به روشهای غیر خلا و عمدتا بر پایهی محلول شیمیایی ابداع شده است.[
3] ایندیوم سولفاید یک مادهی بسیار مهم در کاربردهای اپتوالکترونیکی و فووولتاییکی است و پایداری، باند گپ و رسانندگی نوری آن باعث شده این ماده بعنوان یک گزینهی قابل اعتماد در صنعت و تکنولوژی تبدیل شود.[4] از این ماده میتوان به عنوان جانشین کادمیوم سولفاید - لایهی بافر - در سلولهای خورشیدی CIGS استفاده کرد. ایندیوم سولفاید نه تنها باعث حذف عنصر سمی کادمیوم شده بلکه بعلت برخورداری از باند ممنوعهی انرژی بزرگتر عبور نور را در ناحیهی آبی و ماوراء بنفش افزایش میدهد.
این کریستال دارای فازهای مختلفی است و برای کاربرد در سلولهای خورشیدی بیشتر فاز بتای - چهار وجهی - آن مورد نظر است. لایهی ایندیوم سولفید بسته به روش لایهنشانی دارای باند ممنوعهی انرژی وفاز کریستالی بسیار متفاوتی هستند. خود این کریستال دارای یک باند مستقیم و یک باند غیر مستقیم است. بنابراین رنگ این ماده میتواند از زرد کم رنگ تا قهوهای تغییر کند. ضخامت لایههای بافر نباید از 100 نانومتر بیشتر باشد برای لایهنشانی ایندیوم سولفید روشهای خیلی زیادی تاکنون گزارش شده است.
روشهای خلا و روشهای غیر خلا برای لایهنشانی این کریستال وجود دارد. روشهای خلا شامل روش تبخیر فیزیکی [5] - PVD - ، و روش لایهنشانی اتمی - ALD - [6]،. روشهای محلول مثل روش حمام شیمیایی - CBD - 8]،[7، روش لایهنشانی سیلار [9] - Silar - و روش اسپری پیرولیزز شیمیایی [10] - CSP - نیز از دیگر روشهای مرسوم لایهنشانی ایندیوم سولفید هستند که جزو روشهای محلول شیمیایی یا غیر خلا دسته بندی میشوند.
در لایهنشانی اتمی گزارشهایی منتشر شده است که نشان میدهد باند انرژی ممنوعه و همچنین موقعیت ترازهای ظرفیت و رسانش با تعویض پیش مادهها بسیار تغییر میکند.[11] در روشهای تبخیری گفته شده عملیات حرارتی واپسین برای تولید کریستال نهایی لازم است و بنابراین عملیات های تبخیری صرفنظر از گران بودن و وقتگیر بودن نیاز به حرارت دهی نهایی به مدت حداقل 1 ساعت دارند 6]،.[5 در روش لایه نشانی حمام شیمیایی برای بدست آوردن لایهای با ضخامت لازم، زمان لایه نشانی صرفنظر از بازپخت نهایی باید حداقل 45 دقیقه باشد. روش لایهنشانی سیلار نیز زمان بسیاری لازم دارد و تکرار عملیات بسیار زیاد است.
در بین روشهای شیمیایی محلول روش اسپری پیرولیزز بسیار ارزان و بسیار سریع است از همین رو در مقایسه با سایر روشهای لایه نشانی غیر خلا ارجحیت کاربرد در سلولهای خورشیدی به عنوان لایهی بافر را دارد. خورشیدی CIGS بر پایهی ساختار رولایهی دو بعدی مورد بررسی قرار گرفته شده. لایهنشانی تمام لایهها برای این سلول با روشهای قابل پرینتکردن است. ساختار رولایهی این سلول بر بستر یک نیمه رسانای شفاف به ترتیب لایههای FTO/TiO2/In2S3/CIS2/Carbon میباشد.
لایهی دی اکسید تیتانیم ولایهی ایندیوم سولفید بهروش اسپری پیرولیزز، لایهی CIS2 به روش سنتز درجا [12] ساخته شده و بروش لایه نشانی چرخشی لایه نشانی میگردد. برای ایجاد اتصال آند چسب کربنی نیز با استفاده از روش دکتربلید لایه نشانی میشود. برای بدستآوردن حالت بهینه لایهی بافر را در دماهای مختلف لایهنشانی شده و از آن آزمایشات طیف عبور و طیف پراش پرتو ایکس بعمل آمده است. برای بدستآوردن بازده بیشتر دمادهی و شرایط اسپری کردن محلول بهینهشده است. در بهترین حالت چگالی جریان 23 میلی آمپر بر سانتی متر مربع ازسلولها بدست آمده است.
روش تحقیق با توجه به قابلیت بسیار زیاد ساختار رولایه برای انجام لایه نشانیها بروشهای ارزان قیمت و قابل پرینت از این ساختار استفاده میشود. برای این کار ابتدا یک قطعه FTO را در دمای 450 درجه سانتی گراد روی صفحهی داغ قرار میدهیم. برای ساخت لایهی پکیده و سد کنندهی دی اکسید تیتانیم، محلولی متشکل از تترا ایزوپروپیل اورتوتیانات، اتانول و استیل استون روی FTO که در دمای 450 درجه قرار دارد اسپری میشود.
برای تهیهی محلول پیش مادهی ایندیوم سولفید، از محلول آبی شامل ایندیوم کلراید 4 آبه بعنوان منبع ایندیوم و تیواوره بعنوان منبع سولفور با مولاریتهی 25 میلی مولار ایندیوم و نسبت سولفور به ایندیوم 6 استفاده شده است. سپس این محلول روی لایهی دی اکسید تیتانیم که از قبل تهیه شده لایهنشانی میگردد. لایهی جاذب CIS2 نیز با استفاده از روش سنتز درجا در محلول آمینی ساخته میشود. بری این منظور مس کلراید - I - ، ایندیوم کلراید خشک و تیواوره را با نسبت مولی 1/05:1:4 Cu:In:S:: در محلول آلی حل میگردد به طوری که غلظت مواد جامد کل CIS یک مولار شود.
[12] این جوهر بروش لایهنشانی چرخشی برلایهی ایندیوم سولفید قرار میگیرد. برای خشکشدن جوهر و از بینبردن مواد آلی اضافی لایهها ابتدا در دمای 150 درجه به مدت 10 دقیقه قرار گرفته و سپس بیدرنگ در دمای 250 درجه به مدت 10 دقیقه قرار میگیرند. برای تکمیل سلول چسب کربنی - ساخت شرکت شریف سولار - بروش دکتر بلید بروی سلول لایه نشانی و در دمای 120درجه خشک میشود.
بحث و نتایج
در کل لایههای بافر برای یک سلول خورشیدی، موتور سلول را تشکیل میدهد. از یک طرف ترازهایی انرژی لایههای نوع n و p را با هم همتراز میکند و از طرف دیگر در ناحیهی تهی باعث افزایش میدان الکتریکی شده و از بازترکیب حاملهای بار جلوگیری میکند. این لایه را در دماهای مختلف و با آهنگ اسپری متفاوت لایهنشانی میکنیم. شکل 1 طیف عبور این لایه ها را در دماهای مختلف و آهنگ لایه نشانی مختلف نشان میدهد. برای تمام این لایهها فاصلهی نوک نازل اسپری تا سطح زیر لایه یکی بوده و محلول پیش ماده ی ایندیوم سولفید هم 6 میلی لیتر استفاده شده است. از روی شکل 1 کاملا - دو قلهی تشکیل شده در نمودار مربعها - پیداست که هر چه دما بالاتر باشد ضخامت لایه بیشتر است.
البته باید متذکر شد که آهنگ لایهنشانی بر روی FTO و شیشه متفاوت است. باند انرژی ممنوعه برای دماهای مختلف متفاوت است حتی بازپخت در دمای 350 درجه هم برای موردی که در دمای 250 درجه لایهنشانی شده کارآمد نیست - مثلث ها در شکل . - 1 هر چه آهنگ لایه نشانی بیشتر شود باند ممنوعهی انرژی تیزتر شده و این به معنای این است که ترازهای میانی کمتر تشکیل میشوند. بنابراین لایهای که در دمای 350 درجه با آهنگ 4 میلی لیتر بر دقیقه زده شده ترازهای میانی و مزاحم کمتری دارد.
بررسی ساختار کریستالی این لایهها با آنالیز پراش پرتو ایکس انجام پذیرفته است از روی شکل 2 کاملا مشهود است که ساختار کریستالی که در دمای 350 درجه زده شده صرف نظر از اختلاف جزئی که با هم دارند با لایهای که در دمای 250 درجه زده شده و سپس در 350 درجه گرمادهی شده کاملا با هم متفاوتند. از این رو به نظر میرسد در لایهنشانی به روش اسپری پیرولیزز ایندیوم سولفید دما نقش بسیار کلیدی و با اهمیتی دارد. لایهنشانی این لایهها همه در زمان یک دقیقه تا یک و نیم دقیقه صورت میگیرد بنابراین غیر از سرعت بالا دمای زیر لایه هم بسیار مهم است.
همانطور که از شکل 2 مشخص است لایه ی ایندیوم سولفیدی که با آهنگ 2 میلی لیتر بر دقیقه ساخته شده با شماره کارت مرجع ایندیوم سولفید چهار وجهی - - ICSD No: 250390 همخوانی کامل دارد و رشد کریستال در صفحهی - 109 - واقع شده است. لایهای که با آهنگ 4 میلی لیتر بر دقیقه لایهنشانی شده رشد کریستال آن در صفحهی - 0012 - قرار می گیرد. شکل :1 نمودار طیف عبور لایههای ایندیوم سولفید که بر روی لام لایه نشانی شده است.
مربعها نشانگر طیف عبور لایهای که با آهنگ 4 میلی لیتر بر دقیقه دردمای 350 درجه لایه نشانی شده. دایرهها با آهنگ 2 میلی لیتر بر دقیقه در دمای 350 درجه و مثلثها در دمای 250 درجه با آهنگ 4 میلی لیتر بر دقیقه لایه نشانی شدهاند شکل :2 طیف پراش پرتو ایکس برای حالتهای مختلف لایهنشانی. ایندیوم سولفید به روش اسپری پیرولیزز در دمای 350 درجه با آهنگهای 2 و 4 میلی لیتر بر دقیقه و در دمای 250 درجه با آهنگ 4 میلی لیتر بر دقیقه اما در مورد لایهای که در دمای 250 درجه لایهنشانی و در 350 بازپخت شده کل مجموعه قلهها یک جابجایی به اندازهی 1/8 درجه دارند.
مضاف بر اینکه پهنای قلهها در نیمهی شدت - FWHM - نشان میدهد که این گونه لایهنشانی حتی با حرارت دهی ثانویه نیز اصلاح نمیگردد. برای بررسی شرایط لایهنشانی لایهی بافر بر عملکرد سلول خورشیدی، با این لایهها سلولهای خورشیدی با جوهر نانوکریستال CIS2 ساخته شده و پارامترهای فوتوولتاییکی آنها با استفاده از شبیهساز نور خورشیدی - ساخته شده در شرکت شریف سولار - مورد بررسی قرار میگیرد.
