أطروحة دكتوراه تحضر  الاغشية الرقيقة   Ag1-xCuxlnSe2/Si  المستخدمة في التطبيقات الكهروضوئية و تدرس خصائصها

ناقش قسم الفيزياء في كلية التربية للعلوم الصرفة – ابن الهيثم أطروحة الدكتوراه الموسومة ( تحضير ودراسة خصائص الاغشية الرقيقة Ag1-xCuxlnSe2/Si للتطبيقات الكهروضوئية) للطالبة ( رنا حميد عذاب سلمان ) التي انجزتها باشراف التدريسية في القسم (  ا.د. بشرى هاشم حسين ) ونوقشت من قبل أعضاء لجنة المناقشة المبين أسمائهم في ما يأتي :

ا. د. علية عبد المحسن شهاب – رئيساً

ا.د. ايمان حميد خضير – عضواً

ا.د. أسامة عبد العزيز داخل – عضواً

ا.م.د. اياد محمد صالح – عضواً

ا. م.د. هناء إبراهيم محمد – عضواً

ا.د. بشرى هاشم حسين – عضوا ومشرفا

وأشارت الباحثة الى سبب اختيارمادة AglnSe2 (AISe) لأنها واحدة من أكثر المواد الواعدة للخلايا الكهروضوئية، والتي تعد واحدة من أكثر تقنيات الطاقة المتجددة تقدمًا. ويمتلك مركب AIS على فجوة نطاق مباشرة مناسبة، ومعامل امتصاص عالي، موصلية من النوع n وكذلك عناصر غير سامة ومتوفرة في الأرض. من أجل تحسين أداء الخلايا الشمسية القائمة علىAIS تم إضافة عنصر النحاس Cu)) بنسب مختلفة وطبقة ZnTe ودرجات حرارة مختلفة للتلدين. لذلك ركزنا جهودنا على ما يأتي:

• تصنيع مفارق الخلايا الشمسية الهجينية Al / ZnTe / (Ag1-xCuxlnSe2) / Si / Al غير المتجانسة بطريقة التبخير الحراري ودراسة تأثيرمحتوى Cu ودرجات حرارة التلدين على خصائصها الكهربائية لتحديد الظروف المثلى لعمل الخلايا الشمسية.
• تحضير سبائك المركب الثلاثي AgInSe2) ) والرباعي   (Ag1-xCuxlnSe2)بنسب مختلفة (x=0,0.1,0.2) من عناصرها الأولية (الفضة والنحاس والأنديوم والسيلنيوم) بنسبة مقدار (1:1:2) لكل عنصر وحسب الاوزان الذرية.
• تحضير الأغشية الرقيقة (Ag1-xCuxlnSe2) بسمك (700nm) و (x=0,0.1,0.2) على قواعد من الزجاج واخرى من السليكون بطريقة التبخير الحراري عند درجة حرارة الغرفة.
• دراسة تأثير محتوى النحاس (Cu) بنسب مختلفةx=0,0.1,0.2)) ودرجات حرارة التلدين (Ta=373,473) K على الخواص الفيزيائية للأغشية الرقيقة ACIS التي تستخدم كطبقة ماصة وهي الجزء الرئيس والأهم في الخلية الكهروضوئية.
• دراسة تأثير نفس درجات حرارة التلدين على الخصائص الفيزيائية لأغشية ZnTe الرقيقة المستخدمة كطبقة نافذة.

وتم في هـذا البحث تحضير سبـائك المركب (Ag1-xCuxlnSe2) بنسب مخـتـلـفة من النحاس (x= 0.0, 0.1and 0.2) عن طـريـق تـفـاعـل عـناصرها عالية النـقــاوة (الفـضة، النحاس، الانديوم، السلـينـيوم) في انبوب من الكوارتز مـفـرغة تـحـت ضغـط (10-3Torr)، و قد حددت نسب مكونات السبائك المحضرة بوساطة تحليلات مطياف تشتت الطاقةَ للأشعةَ السينيةَ (EDXS)، والنتائج كانت قريبةَ من القيم النظريةَ، رسبت أغشية ACIS الرقيقة بسمك 700nm بتقانة التبخير الحراري على ركائز زجاجية بدرجة حرارة الغرفة (RT) وبمعدل ترسيب (1.05 nm.s-1). وبالمثل، تم ترسيب أغشيةَ ZnTe الرقيقةَ بسمك 100nm على نفس الركائز عنــد درجـة حـرارة الغرفـة وبمعدل ترســيب 0.3nm/sec من مسـحـوق ســبـيكـة ZnTeالتي تم تحضيرها. لدنت جميع الأغشية الرقيقة  المحضرة  عند درجات حرارة 373K و 473K تحت فراغ (10-3Torr) ولمدة ساعة.

أظهرت تحليلات الاشعة السينية أن جميع سبائكACIS وأغشيتها الرقيقة كانت متعـددة التبلور ولها بـنية رباعية بتوجيه مـفضل بالاتـجاه (112)، بينـما كانت جـميع أغـشـية ZnTe الرقيقة متعددة التبلور ولها بنية مكعبة بتوجيه مفضل بالاتجاه (111). استخدمت تقانةَ مجهر القوةَ الذريةَ (AFM) لدراسة طوبوغرافية سطوح جميع أغشية ACIS وZnTe المحضرة، واعتمدت تقانة المجهر الالكتروني الماسح  (FSEM) لدراسة مورفولوجيا سطوح جميع أغشية ACISو ZnTe المحضرة، في حين وأظهرت نتائج المجهر الالكتروني الماسح أن أغـــشيةَ ACIS لها ســمات سطـحية موحـدة مع حبيبات غـير مـنتظمة الحجم، بينما اظهرت نتائج مجهر القوة الذرية ان خشونة السطح ومتوسط حجم الحبيبات لأغشية ACIS وZnTe الرقيقة تزداد مع زيادة محتوى النحاس بالنسبة لأغشية  ACIS ودرجة حرارة التلدين لأغشية ACISوZnTe الرقيقة.

تم تسجيل أطياف الامتصاصية والنفاذية لأغشية ACIS و ZnTeالرقيقة في نطاق الطول الموجي(400-1000)nm ، أظهرت القياسات البصرية أن جميع اغشية ACIS وZnTe الرقيقة لها فجوة طاقةَ (Eg) مباشرة وتقل مع زيادة محتوى النحاس بالنسبة لأغشية ACIS ودرجة حرارة التلدين (Ta) لكلا النوعين من الاغشية الرقيقة المحضرة، لذلك انخفضت فجوةَ الطاقةَ من 1.75eVإلى 1.5eVو عندما زاد محتوى النحاس من 0.0 إلى 0.2 وانخفضت من 1.48 eVإلى 1.42 eV ومن 2.35 eV إلى 2.25 eV عندما ارتفعت درجة حرارة التلدين من  RTإلى  473Kلأغشية ACIS الرقيقة ذات محتوى النحاس المساوي الى 0.2 وأغشية  ZnTe الرقيقة، على التوالي. تم حساب الثوابت البصرية مثل معامل الخمود، معامل الانكسار وثابت العزل الكــهربـائي لجميع الاغــشـــية الرقيقة المحضرة.

أظهرت قياسات الخواص الكهربائية للأغشية المحضرة أن الموصلية الكهربائية المستمرة (σd.c) زادت مع زيادة محتوى النحاس بالنسبة لأغشية ACIS الرقيقة ودرجة حرارة التلدين لكلا النوعين من الاغشـية لذلك تـغيرت المـوصـلية الكهربـائية من 1.00*10-2 (Ω.cm)-1  إلى29.96*10-2(Ω.cm)-1  عـندما تـغيـر محـتـوى النحاس من  0.0إلى  0.2 وتغيرت من 29.96*10-2 (Ω.cm)-1 إلى  54.6 *10-2(Ω.cm)-1 ومن 0.0183*10-4 (Ω.cm)-1   إلى0.367*10-4 (Ω.cm)-1  عندما تغيرت درجة حرارة التلدين منRT إلى473K  لاغشية ACIS ذات محتوى النحاس المساوي إلى 0.2 واغشـية ZnTe الـرقيقة. والاغــشية الرقيقة المحضرة لها طـاقتـا تـنشـيـط (Ea1 & Ea2) ضـمن مديـات درجـات الـحـرارة (300-393) K  و  (403-473)Kلأغشية  ACIS وZnTe  ،على التوالي. أظهرت نتائج تأثير هول لأغشية ACIS الرقيقة أن جميع الأغشية كانت من النوع المانح وان تركيز الالكترونات فيها زاد مع زيادة محتوى النحاس ودرجة حرارة التلدين، بينما كانت أغشية ZnTe الرقيقة من النوع القابل وان تركيز الفجوات فيها زاد مع زيادة درجة حرارة التلدين.

في هذا البحث، تم تصنيع الخلايا الشمسية من هيكل ZnTe/ ACIS/ Si بمحتوى النحاس مختلف (0.0, 0.1 and 0.2) ودرجة حرارة تلدين مختلفة373, 473) K ).

كشفت قياسات سعة – جهد أن جميع الوصلات الهجينة المحضرة كانت من النوع الحاد وان سعة الوصلة قلت بينما زاد تركيز الحاملات، عرض منطقة النضوب وجهد البناء الداخلي مع زيادة محتوى النحاس ودرجة حرارة التلدين.

أظهرت خصائص تيار- جهد في حالة الظلام لمفارق ACIS الهجينة أن كل من عامل المثالية وتيار الاشباع مع زيادة محتوى النحاس ودرجة حرارة التلدين، في حين أظهرت قياسات تيار- جهد تحت الإضاءة أن أداء الخلية الشمسية غير المتجانسة قد تحسن مع زيادة محتوى النحاس ودرجة حرارة التلدين. أشارت النتائج الى ان الخلية الشمسية المحضرة عند محتوى نحاس 0.2 ودرجة حرارة تلدين 473K حققت أعلى كفاءة (η=2.162%) مقارنة بالخلايا الشمسية الأخرى المحضرة.

 

وخلصت الطالبة الباحثة في نهاية اطروحتها الى عدد من التوصيات :

1. تم الحصول من فحص XRD ان تركيب جميع سبائك Ag1-xCuxInSe2 والأغشية الرقيقة هي رباعي متعددة البلورات ولكن أغشية ZnTe الرقيقة تظهر طبيعة مكعبة متعددة البلورات.
2. زاد حجم الحبيبات وخشونة السطح لجميع أغشية ACISو ZnTe الرقيقة المحضرة مع زيادة محتوى Cu لأغشية ACIS ودرجة حرارة التلدين لكلا النوعين من الأغشية الرقيقة.
3. جميع أغشية ACIS الرقيقة تمتلك امتصاص عالي في المنطقة المرئية بينما تمتلك جميع أغشية ZnTe الرقيقة بنفاذية عالية في المنطقة المرئية والأشعة تحت الحمراء.
4. نلاحظ أن الانتقال البصري في جميع الأغشية الرقيقة ACIS و ZnTe الرقيقة كام من النوع المباشر المسموح وانخفضت قيمة فجوة الطاقة البصرية مع زيادة محتوى Cuلأغشية ACIS و درجة حرارة التلدين
5. أظهرت قياسات التوصيلية المستمرة وجود آليتين لنقل حاملات الشحنة في نطاقين من درجات الحرارة في كلا النوعين من الأغشية الرقيقة.
6. انخفضت قيم طاقتي التنشيط لأغشية ACIS و ZnTe  الرقيقة بينما زادت موصلية التيار المستمر لها مع زيادة قيمة x للأغشية الرقيقة ACIS و درجة حرارة التلدين لكلا النوعين من الأغشية الرقيقة.
7. في أغشية ACIS  الرقيقة ازدادت تركيز الالكترونات وقلت تحركيتها مع زيادة x  بينما في أغشية ZnTe الرقيقة زاد تركيز الفجوات وانخفضت تحركيتها مع زيادة درجة حرارة التلدين.
8. أظهرت قياسات هول أن جميع الاغشية ACIS و ZnTe من النوع n و  p على التوالي.
9. أشارت قياسات C-V إلى أن جميع Al / ZnTe / ACIS / Si / Alالمفارق الهجينية  كانت من النوع الحاد وزادت قيم عرض منطقة النضوب والجهد الداخلي وتركيز الحاملات مع زيادة محتوى x ودرجة حرارة التلدين في حين ان سعة المفرق تقل مع زيادة x و Ta.
10. أظهرت خصائص I-V تحت الإضاءة أن أداء الخلية الشمسية المصنعة يتحسن بزيادة  قيمة  x وTa،  لذلك فإن الظروف المثلى التي ستعمل فيها الخلية  للحصول على أفضل أداء (F.F=0.755) و η = 2.162 ٪هي عندما تكون قيمة x و Ta تساوي 0.2 و 473 كيلو على التوالي.
11. قيم عامل المثالية وتيار الاشباع انخفضت مع زيادة محتوى Cu، لجميع Al / ZnTe / ACIS / Si / Al HJs الهجينة المحضرة.