Blog

لتطبيقات CZTSe و CZTS تصنيع وتوصيف المركبات الرباعية
الخلايا الشمسية

المستخلص

ان المركبات الرباعية Cu₂ZnSnS₄(CZTS) و Cu₂ZnSnSe₄(CZTSe) مكونة من  النحاس والزنك و القصديرو الكبريت والسيلينيوم, يتم تطويرها باعتبارها مواد جديدة واعدة طويلة الامد لقابليتها على امتصاص الضوء للأنظمة الكهروضوئية (PV). ان هذه المواد متوفرة بكثرة وغير سامة ، وقليلة الكلفة في هذا العمل، تم تصنيع مركب CZT (S,Se) باستعمال طريقتين

الطريقة الاولى : تم تحضير أغشية رقيقة ل CZTS و CZTSe وذلك باستعمال خطوتين، في الخطوة الأولى تم تحضير مسحوق Cu₂ZnSnS₄ و Cu₂ZnSnSe₄ ، باستعمال تقنية الصهروالتبريد ، وفي الخطوة الثانية تم تصنيع أغشية CZTS و CZTSe الرقيقة باستعمال عملية الترسيب بالتبخير الحراري.حيث تمت معالجة الاغشية الرقيقة التي تم الحصول عليها عند درجات حرارة تلدين (50°C, 150°C, 300°C). تم باستعمال الاجهزة الاتية لتوصيف العينات:جهاز التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية (UV.Vis)، مجهر القوة الذرية (AFM) ، المجهر الإلكتروني الماسح الباعث للمجال (FE-SEM) ، جهاز حيود الأشعة السينية (XRD) مطياف للأشعة تحت الحمراء (FTIR). وقد أظهرت نتيجة XRD أن البنية البلورية لجميع الاغشية كانت في طور kesterite متعدد البلورات،و كان حجم البلورات لغشاء CZTS (9.8 نانومتر) ولغشاء CZTSe (10.9 نانومتر) ،  عند 300°C.

وقد كانت فجوة الطاقة المباشرة لـ CZTS و CZTSe المقدرة بوساطة معادلة Tauc (1.95 و 1.89) الكترون فولت عند درجة حرارة تلدين 50°C ؛ (1.90 و 1.79) الكترون فولت عند درجة حرارة تلدين 150°C ؛ (1.87 و 1.71) الكترون فولت عند درجة حرارة تلدين 300°C.حيث وجد ان فجوة الطاقة لمواد CZTS  و CZTSe ليست بعيدة عن القيمة المثلى لأكبر كفاءة للخلايا الشمسية. وفقًا لنتائج AFM ،فقد ازداد حجم الجسيمات و RMS لغشاء  CZTS و CZTSe مع ارتفاع درجة حرارة التلدين،فكلما زادت درجة حرراة التلدين ازداد حجم الحبيبات . فضلا عن ، أظهرت الخصائص الموروفولوجية للسطح تشكيلًا ناعمًا ومضغوطًا وموحدًا للغشاء عند أعلى درجة حرارة تلدين.

وقد تم  تحليل المجموعات الوظيفية باستعمال جهاز FTIR. كشفت قياسات هول أن جميع العينات كانت من النوع p-type. تم العثور على أعلى تراكيزحاملة للشحنة (9.75×10⁶ cm⁻³) لـ CZTS عند درجة حرارة 300°C و(6.72×10⁶ cm⁻³) لـ CZTSe عند نفس درجة الحرارة. كان الحد الأقصى لجهد الدائرة المفتوحة V_OC=0.23 mV) (، وكانت أعلى كثافة للتيار القصير (J_SC= 7.41mA/cm²) ، وأعلى كفاءة كانت (٪14.8=ɳ) ، وفقًا لقياسات غير متجانسة لـ ITO/CZTS/CdS/ZnO/Al لمنحنيات أجهزة الخلايا الشمسية (J-V) ، بالنسبة لأجهزة الخلايا الشمسية ITO / CZTSe / CdS / ZnO/Al كانت أعلى جهد دائرة مفتوحة (V_OC=0. 38 mV) وكثافة تيار قصير (J_SC= 4.9mA/cm²) ، و أعلى كفاءة للجهاز (٪15.6=ɳ) ، لذلك ، خضع كلا الجهازين لعملية التلدين عند 300°C.

الطريقة الثانية : تم تحضير أغشية  CZTS و CZTSe الرقيقة باستعمال خطوتين ، بدأت الخطوة الأولى بتحضير مسحوق CZTS  و CZTSe باستعمال التقنية الحرارية المائية التي تمت معالجتها بالحرارة عند درجات حرارة تلدين (400°C, 600°C, and 800°C) ، بينما الخطوة الثانية هي تصنيع  CZTS و CZTSe  الأغشية الرقيقة باستعمال عملية طلاء الدوراني. تم استخدام AFM و FE-SEM و XRD و FTIR لتوصيف العينات. أظهرت نتيجة XRD أن التركيب البلوري لجميع الأغشية كان عبارة عن طور kesterite متعدد البلورات، عند 800°C ، كان حجم بلورات لغشاء  CZTS (15.47 نانومتر) ولغشاء CZTSe كان (25.4 نانومتر). أظهرت الخصائص المورفولوجية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح لانبعاث الالكترونات FE-SEM أن شكل الأغشية الرقيقة CZTS  و CZTSe  كان مضغوطًا مع حبيبات معبأة بشكل أكثر كثافة عند أعلى درجة حرارة تلدين. وفقًا لنتائج AFM ، زاد حجم الجسيمات و (RMS) لاغشية  CZTS  و CZTSe   مع زيادة درجة حرارة التلدين حيث يرتبط حجم الحبيبات بدرجة الحرارة بشكل طرديا. كانت فجوات النطاق المباشرة لـ CZTS و CZTSe المقدرة بواسطة معادلة Tauc (1.73  و 1.68) الكترون فولت ؛ (1.66و 1.59) الكترون فولت ؛ (1.56و 1.53) الكترون فولت عند 400°C, 600°C, 800°C ، فجوة الطاقة لاغشية CZTS  و CZTSe  ليست بعيدة عن القيمة المثلى لأكبر كفاءة للخلايا الشمسية. كشفت قياسات هول أن جميع العينات كانت من النوع p-type. أقل قيمة للمقاومة كانت (Ω.cm0.031) لـ CZTS عند درجة حرارة 800°C و(Ω.cm0.00191) لـ CZTSe عند نفس درجة الحرارة. كان الحد الأقصى لجهد الدائرة المفتوحة (V_OC=0.39 mV)  ، وكانت أعلى كثافة تيار قصير (J_SC= 4.81mA/cm²) ، وأعلى كفاءة كانت (٪13.3=ɳ) ،       وفقًا لقياسات غير متجانسة لـ ITO / CZTS / CdS / ZnO/Al  منحنيات أجهزة الخلايا الشمسية (J-V) ؛ بالنسبة لأجهزة الخلايا الشمسية ITO / CZTSe / CdS / ZnO/Al ، كانت أعلى جهد دائرة مفتوحة (V_OC=0.42 mV)  وكثافة تيار قصير (J_SC= 5.12 mA/cm²)  2 ، وكانت أعلى كفاءة للجهاز (٪15.1=ɳ)،حيث  خضع كلا الجهازين لعملية التلدين  للاغشية CZT (S,Se) عند 800°C.