سنتز نانوذرات(CZTS) Cu2ZnSnS4 به روش هیدروترمال برای کاربرد سلول خورشیدی

محورهای موضوعی : روش ها و فرآیندهای نوین در تولید

مهناز کرباسی ¹ , سعید باغشاهی ² , نسترن ریاحی نوری ³ , روزبه سیاوش موخر ⁴

1 - گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 - گروه مهندسی و علم مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.
3 - گروه پژوهشی مواد غیرفلزی، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران.
4 - هیات علمی پژوهشگاه نیرو

تاریخ دریافت : 1399/05/31 تاریخ پذیرش : 1399/10/13 تاریخ انتشار : 1400/04/01

کلید واژه: فیلم نازک, کاشی خورشیدی, کستریت, لایه جاذب, CZTS,

چکیده مقاله :

ابزارهای فوتوولتائیک سنتی برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی دارای مشکلاتی از جمله هزینه‌های بالا ساخت و نصب هستند، لذا در حال حاضر تمرکز بیش‌تر بر نسل جدید سلول‌های خورشیدی از جمله کاشی خورشیدی با بازدهی بالاتر و هزینه‌های قابل‌قبول‌تر است. با توجه به ظهور نانولایه‌ها و همچنین پیشرفت‌های گسترده‌ صورت گرفته در انتخاب مواد اولیه و دستگاه‌های اعمال این نوع لایه‌ها، در مطالعه جاری آماده‌سازی و دستیابی به شرایط بهینه لایه اصلی کاشی خورشیدی مدنظر قرار گرفته است. بهترین نمونه شامل جوهر فیلم لایه جاذب از ترکیب CZTS و ساخته شده با روش سولوترمال در دمای ºC 550 حاصل شد. با استفاده از آنالیزهای پراش اشعه ایکس (XRD) و طیف سنج رامان (Raman)، به مطالعات فازی نمونه‌های سنتز شده و همچنین شناسایی گروه‌های عاملی موجود در ترکیبات پرداخته شد. از میکروسکوپ الکترونی روبشی عبوری (FESEM) برای بررسیریخت‌شناسی سطح و همچنین ریزساختار جوهرهای تهیه شده و برای آنالیز طیف جذبی فرابنفش- مرئی از اسپکتروفوتومتر (UV- Vis Spectrophotometer) استفاده شد. تحلیل XRD ساختار کسیتریت خالص و همچنین وجود فازهای ثانویه در برخی نمونه‌ها را نشان می‌دهد و نتایج مشابه حضور فاز خالص کسیتریت و انواع فازهای ثانویه نانوذرات CZTSبا نتایج رامان تشخیص و تأیید شده است. در بررسی‌های مذکور نمونه سنتز شده در دمای ºC550 دارای ساختار بلوری کسیتریت با شدت پیک‌های مناسب به‌عنوان مناسب‌ترین نمونه منتخب شد. میکروسکوپ FESEMنشان می‌دهد که کلیه نمونه نانو ذرات CZTS دارای شکل گلبرگ مانند داشته به‌طوری‌که با افزایش دما شکل گلبرگ‌ها خمیده می‌شوند و درنهایت بهترین شرایط همگن بودن ذرات ریخت‌شناسی نمونه در دمای ºC550 مشاهده شد. همچنین بر اساس نتایج شاخص EDSنمونه‌ای که در آن بیشترین درصد وزنی عنصر مس و کمترین درصد وزنی عنصر گوگرد را دارا باشد، از نظر کاربرد در ساختارهایی سلول خورشیدی اولویت داشته که چنین مشخصاتی در نمونه سنتز شده در دمای ºC550 نشان داده شده است. نتایج UV-Visنشان داد که باند شکاف اپتیکی نانوذرات CZTSدر بهترین نمونه عدد eV49/1 است. در مجموع نتایج بررسی‌ها در این پژوهش گویای مناسب بودن روش سنتز سولوترمال و همچنین تأثیرگذاری دما بر مشخصات نهایی فیلم نازک از جمله نوع ساختار، ریخت‌شناسی، درصد عبور و انرژی شکاف باندرا نمایش دادند.

چکیده انگلیسی:

Traditional photovoltaic devices for replacing fossil fuels have problems, including high construction and installation costs. Hence, there is now more focus on the new generation of solar cells, including solar tiles with higher efficiency and lower const. Due to the emergence of nanolayers and the extensive advances in the selection of raw materials and devices for the application of this type of layers, in the present study, the preparation and achievement of optimal conditions for the main layer of solar tile has been considered. The best sample containing adsorbent layer film ink was obtained from CZTS and was made by solothermal method at 550 ºC. Using X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy analysis, phase studies of the synthesized samples as well as the identification of functional groups in the compounds were performed. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) was used to study the surface morphology and the microstructure of the prepared inks. A UV-Vis spectrophotometer was used to analyze the ultraviolet-visible absorption spectrum. XRD analysis showed the formation of pure cassiterite as well as the presence of secondary phases of CZTS in some samples. and the results were confirmed by Raman spectroscopy. In the studies, the sample synthesized at 550 ºC with crystalline structure of cassiterite with suitable peak intensities was selected as the most suitable sample. FESEM microscopy showed that all samples of CZTS nanoparticles had a petal-like shape and with increasing temperature the petals bended. Finally the best conditions for the homogeneity of the morphological particles of the sample were observed at 550 ºC. Also, based on the results of the EDS, the sample with the highest weight percentage of copper and the lowest weight percentage of sulfur had priority in terms of application in solar cell structures, such characteristics were observed in the sample synthesized at 550 ºC. UV-Vis results showed that the optical cleavage band of CZTS nanoparticles in the best sample was 1.49 eV. In general, the results of the studies in this work showed the appropriateness of the solothermal synthesis method and also the effect of temperature on the final characteristics of the thin film, including the type of structure, morphology, transmition and energy bandgap.

منابع و مأخذ:

[1] ف. مومنی و م. کاشفی تربتی، "بررسی اثر روش لایه نشانی دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) بر عملکرد سلول خورشیدی حساس شده با رنگ‌دانه (DSSC)"، مجله فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 9  شماره 2، صفحه 46-39، 1394.

 

[2] ا. اسحاقی، ف. مجیری، ا. کرمی و ا. ابراهیم زاده، "اثر اعمال نانو فیلم کربن شبه الماسی بر بازدهی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی"، مجله فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 9  شماره 2، صفحه 15-9، 1394.

 

[3] S. L. J. Engberg, "Cu₂ZnSnS₄ Nanoparticle Absorber Layers for Thin-Film Solar Cells", Technical University of Denmark, 2016.

 

[4] I. Calvet, et al. "Development of photovoltaic ceramic tile based on CZTSSe absorber", Mater. Lett. vol. 161, pp. 636–639, 2015.

 

[5] J. J. Scragg, P. J. Dale, L. M. Peter, G. Zoppi & I. Forbes, "New routes to sustainable photovoltaics: evaluation of Cu₂ZnSnS₄ as an alternative absorber material", Phys. status solid, vol. 245, pp. 1772–1778, 2008.

 

 

 

[6] E. Biyik, et al. "A key review of building integrated photovoltaic (BIPV) systems", Eng. Sci. Technol. an Int. Jm, vol. 20, pp. 833–858, 2017.

 

[7] W. Hongxia, "Progress in thin film solar cells based on Cu₂ZnSnS₄." Int. J. Pho-toenergy, vol 2011, pp. 1–10, 2011.

 

[8] S. A. Vanalakar, G. L Agawane, S. W. Shin, et al. "A Review on Pulsed Laser Deposited CZTS Thin Films for Solar Cell Applications". Journal of AlloysandCompounds, vol. 619, pp.109–121, 2015.

 

[9] S. A.Vanalakar, G. L. Agwane, M. G. Gang, et al. "A Mild Hydrothermal Route to Synthesis of CZTS Nanoparticle Inks for Solar Cell Applications", Physica Status Solidi (C), Vol. 12, pp. 500–503, 2015.

 

[10] T. Kobayashi, et al, "Investigation of Cu₂ZnSnS₄-based thin film solar cells using abundant materials". Jpn. J. Appl. Phys. vol. 44, pp. 783-795, 2005.

 

[11] S. M. Camara, L. Wang & X. Zhang, Easy "hydrothermal preparation of Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) nanoparticles for solar cell application". Nanotechnology, vol. 24, pp. 495-501, 2013.

 

 [12] À. Carreté, "Solution-Processing of Chalcogenide Nanoparticles and Thin Films for Photovoltaic Applications", 2015.

 

[13] R. B. V. Chalapathy, G. S. Jung & B. T. Ahn, "Fabrication of Cu₂ZnSnS₄ films by sulfurization of Cu/ZnSn/Cu precursor layers in sulfur atmosphere for solar cells", Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 95, pp. 3216–3221, 2011.

 

[14] V. T. Tiong, J. Bell & H. Wang, "One-step synthesis of high quality kesterite Cu₂ZnSnS₄ nanocrystals–a hydrothermal approach Beilstein", J. Nanotechnol. vol. 5, pp. 438–446, 2014.

 

[15] C. I. Mary, S. Ananthakumar, M. Senthilkumar & S. M. Babu, "Synthesis and characterization of amine capped Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) nanoparticles (NPs) for solar cell application", Mater. Today Proc, vol. 4, pp. 12484–12490, 2017.

 

[16] I. Calvet, E. Barrachina, R. Marti, D. Fraga, T. S. Lyubenova & J. B. Carda, "Synthesis, deposition and crystal growth of CZTS nanoparticles onto ceramic tiles", Ceramicay Vidrio, pp. 175-180. 2015.

 

[17] S. Das, A. Injmul, R. Jagatpati, et al. "A Facile Method to Synthesize CZTS Quantum Dots for Solar 

Cell Applications", Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures, vol. 105, pp. 19–24, 2019.

 

[18] Ch. Zhang, Zh. Jie & T.Jiang. "Cu ₂ ZnSn (S, Se)₄ Thin Film Solar Cells Fabricated with Benign Solvents." Frontiers of Optoelectronics, vol. 8, pp. 252–68, 2015.