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

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

دوره 15، شماره 2 - شماره پیاپی 57، تیر 1400، صفحه 27-37   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/apme.2021.1904936.2006

نویسندگان

مهناز کرباسی¹؛ سعید باغشاهی^{* 2}؛ نسترن ریاحی نوری³؛ روزبه سیاوش موخر⁴

¹گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

²گروه مهندسی و علم مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.

³گروه پژوهشی مواد غیرفلزی، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران.

⁴هیات علمی پژوهشگاه نیرو

چکیده

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.

کلیدواژه‌ها

کاشی خورشیدی؛ کستریت؛ لایه جاذب؛ CZTS؛ فیلم نازک

مراجع

[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.