شیمی
راکتور هیدروترمال
پزشکی
فیزیک
کامپیوتر
آذر
فیلم‌های نازک Ag3SbS3 تشکیل‌شده توسط آنلینگ نانوذرات Ag3SbS3 سنتز شده به روش هیدروترمال
چکیده:
ما رشد فیلم‌های نازک کالکوژن فلز سه‌تایی Ag3SbS3 را گزارش نمودیم. رشد شامل دو مرحله است: (1) نانوذرات Ag3SbS3 با استفاده از روش هیدروترمال سنتز شد؛ (2) یک فرآیند پیش-آنلینگ، نانوذرات Ag3SbS3 را به فیلم Ag3SbS3 تبدیل کرد. بهترین نانوذرات Ag3SbS3 با دمای واکنش هیدروترمال 140 درجه سانتی‌گراد به مدت 12 ساعت به دست آمد. شکل‌گیری فیلم‌های Ag3SbS3 به دمای آنلینگ حساس است و بهترین فیلم‌ها در دمای 440 درجه سانتی‌گراد تولید می‌شوند. الگوی XRD، Ag3SbS3 تک فاز را آشکار می‌کند. فیلم تهیه‌شده Ag3SbS3، یک سطح صاف و یکنواخت با اندازه ذرات متوسط در حدود 200 نانومتر دارد. جذب نوری شکاف انرژی[1] 8/1 الکترون‌ولت و ضریب جذب زیاد را در λ برابر با 400 نانومتر نشان می‌دهد. جذب نوری بزرگ نشان می‌دهد که فیلم‌های Ag3SbS3 می‌تواند یک ماده با پتانسیل بالا برای مواد سلول‌های خورشیدی باشد. در مقایسه با تکنیک لیزر که به‌طور رسمی استفاده‌شده است، روش رشد فعلی ساده‌تر و ارزان‌تر است و قادر به تولید فیلم‌های باکیفیت بالا Ag3SbS3 می‌باشد.
مقدمه:
سلول‌های خورشیدی یک منبع انرژی مهم هستند که می‌تواند مشکلات کمبود انرژی جهان و گرمایش جهانی را کاهش دهد. سلول‌های خورشیدی تک-بلور عملکرد بالایی را ارائه می‌دهند، اما برای کاربردهای گسترده گران هستند. در مقابل، سلول‌های خورشیدی فیلم-نازک، جایگزین فتوولتائیک کم‌هزینه هستند، زیرا مقادیر کمتری از مواد نیاز دارند. در حال حاضر، فتوولتائیک های فیلم-نازک تحت تکنولوژی‌های مبتنی بر نیمه‌هادی‌هایی مانند Si، CdTe و Cu(In/Ga)Se2 (CIGS) قرار دارند. جستجو برای مواد نیمه‌رسانای جاذب نور جدید که به فراوانی یافت می‌شوند و ازلحاظ زیست‌محیطی غیر سمی است، به دنبال پیشرفت فن‌آوری فتوولتائیک، بسیار حیاتی است. بسیاری از کالکوژن های فلزی با الزامات کم‌هزینه بودن، فراوانی و غیر سمی مطابقت دارند. در میان سولفیدهای فلزی، سولفیدهای فلزی دوتایی مانند CdS، CdSe، PbS و Ag2S به‌عنوان جاذب نور در سلول‌های خورشیدی مورداستفاده قرارگرفته‌اند [1-4]. از سوی دیگر، سولفیدهای فلزی سه‌تایی نسبتاً کمتر موردبررسی قرارگرفته‌اند.
کالکوژن های سه‌تایی I-V-VI2 Ag3SbS3 ماده‌ای است که کاربردهای فراوانی در اپتیک غیرخطی و فوتوکاتالیستی دارد [5،6]. شکاف انرژی [6،7]، نزدیک به مقدار مطلوب برای جاذب‌های خورشیدی است [8]. همچنین دارای ضریب جذب نوری بزرگ α در حدود است [9]. این دو ویژگی، خواص جالبی برای جاذب‌های خورشیدی هستند، نشان می‌دهد Ag3SbS3 می‌تواند به‌صورت بالقوه یک ماده جاذب خورشیدی باشد. بااین‌حال، گزارش‌های کمی در مورداستفاده از Ag3SbS3 در سلول‌های خورشیدی وجود دارد، زیرا نیمه‌هادی‌های سه‌گانه به‌طورکلی پیچیده‌تر هستند.
نیمه‌هادی Ag3SbS3 در قالب بلورها، نانوذرات (NPs)، نانومیله‌ها و فیلم، توسط روش بریجمان[2] [10]، biomolecule-assisted [11]، روش شیمیایی نرم [6]، لایه نشانی با لیزر[3] [12] و روش‌های هیدروترمال [13، 14]، رشد یافت. در میان این اشکال مختلف مواد، فیلم‌های نازک برای ساخت سلول‌های خورشیدی فیلم-نازک مناسب هستند. در این کار، فیلم Ag3SbS3 بر روی شیشه‌ای از اکسید قلع دوپه شده با فلوئور (FTO) با استفاده از روش هیدروترمال و به دنبال آن پیش-آنلینگ، رشد کرده است. ما وابستگی فرایند هیدروترمال به شرایط واکنش ازجمله دما و زمان واکنش را موردبررسی قراردادیم. تشکیل فیلم‌های نازک Ag3SbS3 به درجه حرارت آنلینگ حساس است. روش حاضر یک روش ساده برای تولید فیلم‌های باکیفیت بالا Ag3SbS3 پیشنهاد می‌دهد.
قسمت تجربی:
رشد فیلم‌های نازک Ag3SbS3 شامل سه فرآیند عمده می‌باشد: (الف) لایه نشانی یک‌لایه چسبنده Mo؛ (ب) رشد هیدروترمال NP های Ag3SbS3؛ و (ج) پیش-آنلینگ نانوذرات Ag3SbS3 سنتز شده. سه فرآیند در زیر شرح داده‌شده است.
فرآیند هیدروترمال از سه محلول پیش‌ماده Ag، Sb و S استفاده نمود. سه محلول (حجم کل 75 میلی‌لیتر) 294/0 میلی مولار AgNO3 (25/1 میلی‌گرم AgNO3 در 25 میلی‌لیتر اتیلن دی آمین (EDA))، 082/0 میلی مولار SbCl3 (56/0 میلی‌گرم از SbCl3 در 30 میلی‌لیتر EDA) و 312/0 میلی مولار S (25/0 میلی‌گرم پودر گوگرد در 25 میلی‌لیتر EDA) تهیه‌شده و به داخل مخزن تفلون راکتور هیدروترمال از جنس فولاد ضدزنگ ریخته شد. محلول مخلوط شده به مدت 1 دقیقه هم زده شد و سپس به مدت 12 ساعت در دمای 140 درجه سانتی‌گراد حرارت داده شد. نانوذرات Ag3SbS3، (ازلحاظ شکل ظاهری سیاه‌رنگ)، به‌عنوان یک رسوب گل مانند در پایین اتوکلاو شکل‌گرفته است. برای رشد فیلم‌های Ag3SbS3، دوغاب نانوذرات Ag3SbS3 روی شیشه FTO پوشش داده‌شده با Mo با استفاده از روش doctor-blade، پوشش داده‌شده، همان‌طور که در شکل 1 (a) نشان داده‌شده است. سپس شیشه در یک کوره استوانه‌ای با جریان گاز N2 (سرعت جریان گاز 2 میلی‌لیتر در ثانیه) در دمای 440 درجه سانتی‌گراد به مدت 15 دقیقه حرارت داده می‌شود (نرخ افزایش دمای کوره از 25 درجه سانتی‌گراد به 440 درجه سانتی‌گراد برابر با 44 درجه سانتی‌گراد در دقیقه می‌باشد). یک فیلم Ag3SbS3 پس از حرارت دهی، بر روی شیشه FTO تشکیل‌شده است (تصویر سمت راست را در شکل 1 (a) ببینید).
شکل 1: (a) شکل سمت چپ: دوغاب نانوذرات Ag3SbS3 پوشش داده‌شده بر روی شیشه FTO آنلینگ؛ شکل سمت راست: یک فیلم Ag3SbS3 تشکیل‌شده پس از آنلینگ. (b) الگوهای XRD از نانوذرات Ag3SbS3 که تحت دما و زمان‌های مختلف واکنش در فرایند هیدروترمال تشکیل‌شده‌اند.
فیلم‌های سنتز شده با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی عبوری[4] (TEM، JEOL JEM-2010)، یک دستگاه پراش اشعه ایکس (PANalytical X’Pert Pro MRD) و یک میکروسکوپ الکترونی روبشی انتشار-میدانی (FESEM، JEOL JSM 7001F) تعیین ویژگی شد. طیف جذب نوری با استفاده از اسپکتروفتومتر Hitachi 2800A اندازه‌گیری شد.
شکل 2: (a) الگوی XRD یک فیلم Ag3SbS3 تک فاز. (b) تصاویری از فیلم‌های Ag3SbS3 که در دمای 440 و 450 درجه سانتی‌گراد آنلینگ می‌شوند. (c) یک تصویر مقطعی FESEM از فیلم Ag3SbS3. (د) یک نمای بالا از تصویر FESEM.
بحث و نتیجه‌گیری:
رشد هیدروترمال نانوذرات Ag3SbS3 به شرایط رشد مانند دمای و زمان واکنش حساس است. شکل 1 (b) الگوهای پراش اشعه X را برای نانوذرات Ag3SbS3 که در دماها (120 و 140 درجه سانتی‌گراد) و زمان‌های واکنش مختلف (8، 10 و 12 ساعت) سنتز شده است را نشان می‌دهد. نانوذرات Ag3SbS3 که در دمای 120 درجه سانتی‌گراد یا زمان واکنش کمتر از 8 و 10 ساعت تولیدشده است دارای کیفیت پایین‌تری است (طیف XRD را ببینید). بهترین نانوذرات Ag3SbS3 تک فاز به مدت 12 ساعت در دمای 140 درجه سانتی‌گراد (JCPDS-211173) تولید شد. توجه داشته باشید که طیف XRD در شکل 1 (b) برای نمونه‌هایی که در دمای 140 درجه سانتی‌گراد برای 8 و 10 ساعت آنلینگ می‌شوند، چندین پیک ضعیف (در برابر با 26°, 29°, 31°, 33°, 34°, 37°, 38° و 41°) به دلیل تشکیل فاز Ag2S (JCPDS 65-2356)، وجود دارد. شکل‌گیری Ag2S به شرح زیر توضیح داده‌شده است. نسبت مولی مطلوب واکنش‌دهنده‌های مورداستفاده در رشد هیدروترمال AgNO3:SbCl3: S=3.6:1:3.8 که کمی متفاوت از نسبت مولی استوکیومتر Ag3SbS3 Ag: Sb: S=3: 1: 3 می‌باشد. در این مخلوط محلول Sb واکنش‌دهنده محدودکننده است و Ag و S در سنتز فاز Ag3SbS3 بیش از مقدار استوکیومتری است. مقدار اضافی و یا باقیمانده Ag و S می‌توانند به شکل فاز Ag2S واکنش دهند، همان‌طور که در شکل 1(b) نشان داده‌شده است.
نانوذرات Ag3SbS3 سنتز شده با روش هیدروترمال برای تولید فیلم‌های Ag3SbS3 حرارت داده شد. دمای حرارت برای تشکیل فیلم Ag3SbS3 بسیار حیاتی و مهم است. فیلم‌های باکیفیت بهتر می‌توانند در دمای 440 درجه سانتی‌گراد تولید شوند. شکل 2 (a) الگوی XRD بهترین فیلم را نشان می‌دهد. پیک‌های پراکندگی را می‌توان به Ag3SbS3 تک فاز شش‌ضلعی (هگزاگونال) نسبت داد (JCPDS No 21-1173). فاز ناخالصی مشاهده نشده است. شکل 2 (b) (پانل سمت چپ) یک تصویر از فیلم Ag3SbS3 باکیفیت بالا که در دمای 440 درجه سانتی‌گراد آنلینگ شده را نشان می‌دهد که سطح صاف، یکنواخت و قهوه‌ای دارد. با افزایش دمای آنلینگ تا 450 درجه سانتی‌گراد، فیلم‌هایی با ذره‌های بزرگ (تاول مانند) تولید می‌شوند که منجر به یک سطح غیریکنواخت می‌شود (شکل 2 (b)، پانل راست). فیلم‌های آنلینگ شده در حرارت 430 درجه سانتی‌گراد به‌صورت ضعیف به شیشه FTO می‌چسبند و به‌راحتی کنده می‌شوند. علاوه بر این، طیف‌های XRD برای فیلم‌های آنلینگ شده در دمای 430، 440 و 450 درجه سانتی‌گراد (که در اینجا نشان داده نشده است) Ag3SbS3 تک فاز باکیفیت بالا را نمایش دادند. شکل 2 (c) یک تصویر مقطعی FESEM از بهترین فیلم Ag3SbS3 را بر روی شیشه FTO نشان می‌دهد و یک فیلم با ضخامت 500 نانومتر نشان می‌دهد. تصویر FESEM باکیفیت بالا (شکل 2 (d)) نشان می‌دهد که فیلم Ag3SbS3 شامل نانوذرات با اندازه‌های بین 100 تا 400 نانومتر و اندازه متوسط در حدود 200 نانومتر است.
شکل 3 (a) نشان‌دهنده طیف عبوری (T (λ)) از فیلم تهیه‌شده Ag3SbS3 (ضخامت برابر با 250 نانومتر) می‌باشد. T (λ) به‌شدت پایین (در حدود 1/0 درصد) در نزدیکی منطقه UV در طول‌موج 400 نانومتر است که با افزایش طول‌موج (λ) مقدار T (λ) افزایش می‌یابد و به حداکثر مقدار حدود 26 درصد در λ برابر با 1000 نانومتر می رشد. شکل 3 (b) جذب (A (λ)) و ضریب جذب α (λ) را نشان می‌دهد. ضرایب جذب در حدود در محدوده‌ی طیفی 400-1000 نانومتر با یک مقدار α بزرگ برابر با در λ بر ر با 400 نانومتر، است. این ضریب جذب برای یک نیمه‌هادی نسبتاً بالا است و تقریباً برابر با یک ماده خورشیدی که به‌طور گسترده مورداستفاده قرار می‌گیرد (CIGS) است [15]، که این نشان می‌دهد که Ag3SbS3 یک جاذب عالی است. شکل 3 (c) نمودار در مقابل نشان می‌دهد ، که ر آن h ثابت پلانک و ν فرکانس زاویه‌ای است. برون‌یابی نسبت به محور x یک Eg = 1.8 eV را می‌دهد که با Eg بالک تطابق خوبی دارد.
شکل 3: طیف نوری یک فیلم Ag3SbS3 (ضخامت: 250 نانومتر): (a) عبور ؛ (b) ضریب جذب، و (c) نموداردر مقابل
نتیجه‌گیری
ما فیلم‌های Ag3SbS3 تک-فاز را روی شیشه FTO با استفاده از روش هیدروترمال دوطرفه رشد دادیم. بهترین دما هیدروترمال 140 درجه سانتی‌گراد بازمان واکنش 12 ساعت بود. دمای مطلوب پیش-آنلینگ 440 درجه سانتی‌گراد بود. روند رشد هیدروترمال و آنیلینگ به دما و زمان واکنش حساس هستند. توانایی جذب نوری بالا Ag3SbS3 را به‌عنوان یک جاذب خورشیدی بالقوه نشان می‌دهد.
