Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học green and low cost preparation of cigse thin fi
Tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học green and low cost preparation of cigse thin film by a nanocrystals ink based spin coating method. Tải miễn phí tại T
Yeungnam University
Chemical Engineering
Luan An
Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản
Số trang
81
Thời gian đọc
13 phút
Lượt xem
1
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I. Phương pháp Điều chế Màng mỏng CIGSe Xanh và Chi phí Thấp
Nghiên cứu này trình bày một quy trình sáng tạo. Mục tiêu là sản xuất màng mỏng CIGSe chất lượng cao. Phương pháp này đặc biệt chú trọng tính bền vững và hiệu quả kinh tế. Các phương pháp sản xuất truyền thống cho vật liệu hấp thụ CIGSe thường tốn kém. Chúng cũng yêu cầu môi trường chân không phức tạp. Điều này hạn chế ứng dụng rộng rãi trong ngành pin mặt trời. Luận án giải quyết những thách thức này. Nó phát triển một quy trình tổng hợp hóa học bền vững và chi phí thấp. Quy trình này thân thiện môi trường, giảm thiểu chất thải. Nó mở ra triển vọng thương mại hóa pin mặt trời CIGSe hiệu quả hơn.
1.1. Tổng quan về Công nghệ Quang điện Màng mỏng CIGSe
CIGSe (Đồng-Indi-Gali-Selen) là vật liệu bán dẫn quan trọng. Nó được dùng làm lớp hấp thụ ánh sáng trong pin mặt trời màng mỏng. Vật liệu này có tiềm năng hiệu suất cao. Tuy nhiên, việc điều chế CIGSe thường phức tạp. Các phương pháp hiện có đòi hỏi chi phí đầu tư lớn. Chúng cũng tiêu thụ nhiều năng lượng. Nhu cầu về một quy trình sản xuất sạch hơn là cấp thiết. Nó cần giảm thiểu tác động đến môi trường. Đồng thời, nó cần đạt được chi phí thấp. Điều này sẽ thúc đẩy sự phát triển của vật liệu xanh và kỹ thuật xanh trong năng lượng tái tạo.
1.2. Giới thiệu Quy trình dựa trên Dung dịch Mực và Phủ quay
Luận án đề xuất một cách tiếp cận mới. Quy trình dựa trên dung dịch mực hạt nano CIGSe. Kỹ thuật phủ quay (spin-coating) được sử dụng để tạo màng. Sau đó, quá trình nhiệt luyện trong môi trường selen được thực hiện. Đây là một phương pháp điều chế chi phí thấp và thân thiện môi trường. Nó không yêu cầu chân không. Quy trình này thể hiện sự tiến bộ trong hóa học xanh. Nó hứa hẹn mang lại hiệu quả năng lượng cao. Đồng thời, nó đáp ứng tiêu chí tổng hợp hóa học bền vững. Quy trình này tối ưu hóa quy trình sản xuất màng CIGSe.
II. Tổng hợp Hạt nano CIGSe Xanh bằng Phương pháp Siêu âm
Tổng hợp hạt nano CIGSe là bước đầu tiên của quy trình. Một phương pháp sonochemical (siêu âm) đã được phát triển. Phương pháp này sử dụng dung môi xanh ethanol. Ethanol là một lựa chọn an toàn. Nó giúp giảm thiểu độc hại so với các dung môi truyền thống. Việc sử dụng siêu âm giúp tổng hợp hiệu quả. Nó không cần gia nhiệt bổ sung. Điều này giảm đáng kể chi phí năng lượng. Nó cũng góp phần vào mục tiêu giảm thiểu chất thải. Đây là một ví dụ điển hình về kỹ thuật xanh trong tổng hợp vật liệu. Luận án tập trung vào việc tạo ra các hạt nano chất lượng cao, đồng nhất.
2.1. Vai trò của Dung môi Xanh và Phương pháp Siêu âm
Hạt nano CIGSe được tổng hợp bằng phương pháp siêu âm. Dung môi ethanol chứa NaBH4 đóng vai trò quan trọng. Ethanol là dung môi xanh, không độc hại. Nó là lựa chọn lý tưởng cho một quy trình thân thiện môi trường. NaBH4 thúc đẩy phản ứng tổng hợp hiệu quả. Phương pháp siêu âm giúp phân tán năng lượng đồng đều. Nó tạo ra các hạt nano với hình thái học kiểm soát được. Không cần gia nhiệt thêm, quy trình này tiết kiệm năng lượng. Đây là một cách tiếp cận điều chế chi phí thấp và tổng hợp hóa học bền vững.
2.2. Tối ưu hóa Thời gian Siêu âm và Cấu trúc Hạt nano
Thời gian siêu âm là yếu tố then chốt. Luận án đã khảo sát các khoảng thời gian từ 2 đến 5 giờ. Thời gian 5 giờ được xác định là tối ưu. Nó tạo ra hạt nano CuIn0.7Ga0.3Se2 mong muốn. Các hạt nano CIGSe tổng hợp có cấu trúc tetragonal. Chúng có hình dạng gần như hình cầu, kích thước đồng đều. Công thức hóa học mục tiêu là Cu(In0.7Ga0.3)Se2. Một cơ chế phản ứng mới đã được đề xuất. Nó giải thích vai trò của NaBH4 trong quá trình. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất này đảm bảo chất lượng vật liệu đầu vào.
III. Tối ưu hóa Dung dịch Mực nano CIGSe và Lớp Phim hấp thụ
Sau khi tổng hợp, các hạt nano CIGSe được dùng để tạo dung dịch mực. Sự ổn định của dung dịch mực là cực kỳ quan trọng. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng màng mỏng cuối cùng. Nghiên cứu đã đánh giá ba loại dung môi khác nhau. Mục tiêu là tìm ra dung môi phân tán tốt nhất. Quy trình này hướng tới việc tạo ra một vật liệu xanh. Nó được sử dụng trong các quy trình sản xuất sạch hơn. Việc tối ưu hóa dung dịch mực là một bước thiết yếu. Nó đảm bảo độ đồng đều và độ bám dính của lớp phim. Điều này ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng của pin mặt trời.
3.1. Nghiên cứu Dung môi phân tán cho Mực nano CIGSe bền vững
Để tạo dung dịch mực ổn định, ba dung môi được thử nghiệm. Chúng bao gồm 2-propanol, 2-methoxyethanol và hỗn hợp 2:1 của chúng. Hỗn hợp 2-propanol : 2-methoxyethanol = 2 : 1 (v/v) cho kết quả tốt nhất. Nó tạo ra dung dịch mực ổn định cho hạt nano CIGSe. Dung dịch mực ổn định là nền tảng. Nó đảm bảo quá trình phủ quay diễn ra hiệu quả. Lựa chọn dung môi phù hợp là một phần của kỹ thuật xanh. Nó góp phần vào một quy trình thân thiện môi trường và giảm thiểu chất thải.
3.2. Tác động của Các chế độ Nhiệt luyện đến Cấu trúc Màng CIGSe
Các chế độ nhiệt luyện khác nhau được nghiên cứu. Chúng ảnh hưởng đến kích thước hạt và mật độ của màng CIGSe. Màng mỏng CIGSe thu được có độ dày khoảng 1 µm. Nó sở hữu cấu trúc tetragonal đặc trưng. Năng lượng vùng cấm ước tính khoảng ~1.2 eV. Đây là các thông số lý tưởng cho lớp hấp thụ pin mặt trời. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất nhiệt luyện rất quan trọng. Nó giúp nâng cao chất lượng vật liệu xanh. Nó đảm bảo hiệu suất hoạt động của thiết bị quang điện.
IV. Quy trình Sản xuất Không Chân không Hiệu quả và Tiềm năng
Quy trình không chân không mới đã được áp dụng thành công. Từ tổng hợp hạt nano đến tạo dung dịch mực. Sau đó là hình thành màng mỏng CIGSe chất lượng cao. Phương pháp này thể hiện tính ưu việt. Nó là một quy trình điều chế chi phí thấp. Nó cũng là một kỹ thuật xanh. Quy trình này mở ra một con đường mới. Con đường hướng tới thương mại hóa pin mặt trời CIGSe cạnh tranh. Nó giảm thiểu chất thải. Nó cũng nâng cao hiệu quả năng lượng. Quy trình này là bước tiến quan trọng trong sản xuất sạch hơn.
4.1. Ưu điểm của Quy trình Không Chân không và Chất lượng Màng
Quy trình không chân không mang lại nhiều lợi ích. Nó loại bỏ nhu cầu về thiết bị chân không đắt tiền và phức tạp. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất. Nó cũng là một quy trình thân thiện môi trường hơn. Màng mỏng CIGSe sản xuất bằng phương pháp này có chất lượng cao. Chúng có cấu trúc tinh thể tốt và tính chất quang điện mong muốn. Đây là minh chứng cho thành công của một phương pháp tổng hợp hóa học bền vững. Nó cũng thể hiện khả năng tối ưu hóa quy trình sản xuất hiệu quả.
4.2. Mở ra Con đường Thương mại hóa Pin mặt trời CIGSe cạnh tranh
Việc sản xuất màng CIGSe chất lượng cao với chi phí thấp là đột phá. Nó mở ra cơ hội thương mại hóa rộng rãi. Đặc biệt là cho pin mặt trời màng mỏng CIGSe. Quy trình này có tiềm năng thay đổi ngành công nghiệp. Nó giúp phát triển vật liệu xanh và sản xuất sạch hơn. Nó cung cấp một giải pháp năng lượng tái tạo bền vững. Đây là một bước tiến quan trọng. Nó giúp pin mặt trời CIGSe trở nên cạnh tranh hơn trên thị trường toàn cầu. Nó góp phần vào mục tiêu hiệu quả năng lượng và giảm thiểu chất thải.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (81 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộThesis Green and low-cost preparation of CIGSe thin film by a nanocrystals ink based spin-coating method Graduate School of Yeungnam University School of Chemical Engineering Major in Chemical Engineering Le Thi Thuy Trang Advisor: Prof. Chinho Park Co-advisor: Prof. JaeHong Kim February 2020 i Ph. Thesis Green and low-cost preparation of CIGSe thin film by a nanocrystals ink based spin-coating method Advisor: Prof.
Chinho Park Co-advisor: Prof. JaeHong Kim Presented as Ph. Thesis February 2020 Graduate School of Yeungnam University School of Chemical Engineering Major in Chemical Engineering Le Thi Thuy Trang iii Acknowledgements I woud like to express my deep gratitude to my advisor, Professor Chinho Park at the School of chemical engineering. He has provided me the invaluable contributions in the research work by various profitable discussions.
His devoted instructions have been my sources of inspiration during Ph. periods, and have given me the great encouragement to fulfill both the research and writing of this thesis. I deeply thank to Professor JaeHong Kim, who has supported me to complete this Ph. My special thanks also go to Dr.
Vasu and Dr. Nguyen for their valuable comments and suggestions in my research. I am thankful to the IMSL lab’s members who have ever helped me many things. I will remember for their trust and friendship.
Your sentiments toward me are quite precious. I thank to my family for giving me a wider perspective on things, unlimited forbearance, and the time deprived from them. Last, I gratefully acknowledge Yeungnam university and BK 21 program because of their supports. December, 2019 Le Thi Thuy Trang iv Abstract This thesis presents our efforts that aim towards a green and low cost prodedure to fabricate CIGSe thin films which would be used as absorber layers for the thin film solar cell industry.
So, an ―ink‖ solution based process, using spin-coating technique, followed by annealing in selenium environment with different temperature programs was utilized to prepare CIGSe thin film. Firstly, CIGSe nanoparticles were synthesized using NaBH4 containing green solvent – ethanol by a sonochemical method. The effect of the ultrasonification time intervals on the synthesis was investigated in the range of 2-5 hr, 5 hr was found to be the most suitable time to obtain the expected CuIn0. The as-synthesized CIGSe nanoparticles possessed a tetragonal structure with quasi-spherical shape, and the targeted Cu(In0.
A new reaction scheme is proposed to explain the role of NaBH4 in the plausible reaction paths. The non-toxic solvent used in the synthesis with no additional heating makes the developed method cheaper and ―greener‖ than the previously reported methods. Next, three different solvents: 2-propanol, 2-methoxyethanol, and their 2:1 mixture (v/v ratio) were investigated as a dispersion medium for the as-synthesized CIGSe nanocrystals to form a stable ink solution. The last one – mixture of 2-propanol : 2-methoxyethanol = 2 : 1 (v/v) – was found to be the most suitable.
Furthermore, the influences of various annealing modes on the CIGSe grain size and density in the resulting film were also studied. The as-prepared CIGSe thin film was around 1 µm thick, possessed a tetragonal structure, and the band gap energy was estimated about ~ 1. The newly developed cheaper and ―greener‖ non-vacuum process was applied successfully from the nanocrystals synthesis to the formation of ―ink‖ solution, and produced v high quality thin films, which opens a new route to the cost-competitive commercialization of CIGSe thin film solar cells. vi Contents Acknowledgements.
v List of figures. viii Chapter 1: Literature Overview. The material system of Cu(In,Ga)Se2 quaternary. Introduction of the structural property.
Optical and electrical properties. Overview of solar cell. The story of solar cell. The operating principle of solar cell.
Thin film deposition techniques. The vacuum method. Chemical vapor deposition (CVD). The non-vacuum method.
The nanoparticles based method. Direct solution based process. Physical methods for characterizing solids. 18 Chapter 2: Green and low-cost synthesis of CIGSe nanoparticles using ethanol as a solvent by a sonochemical method - a new approach.
Results and discussion. 34 Chapter 3: The formation of CIGSe thin film by a nanocrystals ink based spin-coating method. Results and discussion. 57 List of puplications.
70 vii List of figures Chapter 1 Fig.1: The unit cell of the chalcopyrite lattice structure a) CuInSe2, b) Cu(In,Ga)Se2.2: The working of a silicon solar cell.3: The structure of a dye sensitized solar cells.4: Mechanism of dye sensitized solar cell.5: Basic structure or Organic Solar Cell. 1 6: The operating principle of solar cell. 1 7: Schematic of evaporation system. 1 8: Schematic illustration of different coevaporation recipes .9: Schematic of sputtering system .10: Schematic of chemical vapor deposition system .11: Schematic illustration of X-ray generation system.
1 12: (a) Section through an X-ray tube. (b) An X-ray emission spectrum.13: Basic components of a monochromatic XPS system .14: Schematic illustration of a raman spectroscopy system.15: Schematic illustration of scanning electron microscopy system.16: Schematic illustration of Scanning electron microscopy system.17: Block diagram of DTA.18: Schematic illustration of differential scanning calorimetry system. 30 viii Chapter 2 Fig.1: XRD patterns of the CIGSe nanoparticles synthesized with difference ultrasonification time.2: SEM images of CIGSe NPs with ultrasonification time of 2 hr (a), 3.3: Raman spectra of as-prepared CuIn0.3Se2 NPs with ultrasonification time of 5 hr.4: a) XPS survey spectrum and Cu 2p (b), In 3d (c), Ga 2p (d) , and Se 3d (e ) core-level spectrum of as-synthesized CuIn0.5: TEM images of CIGSe nanoparticles with ultrasonification time of 5 hr before (a) and after (b) annealed at 500 oC.6: XRD pattern of CuIn0.3Se2 NPs before and after annealed at 500 oC .7: Absorption spectrum (a) and plot of (αhν)2 versus photon energy hν (b) of the annealed CuIn0.1: The images of colloidal solutions with different dispersion mediums: 2-propanol (a), 2- methoxyethanol (b) and solvent mixture of 2-propanol and 2-methoxyethanol (c) after being kept in 1 month. 3 2: The images of the spin coated films by 2-propanol solvent based ink solution (a), and solvent mixture based ink solution (b).
3 3: Cross-section SEM image of CIGSe thin film with the first annealing mode. 3 4: Cross-section SEM image of CIGSe thin film with the second annealing mode. 3 5: Cross-section SEM image of CIGSe thin film with the third annealing mode. 3 6: Surface SEM image of CIGSe thin film with the third annealing mode.
3 7: XRD pattern of CIGSe thin film after being annealed with the third annealing mode.8: Plot of (αhν)2 versus photon energy hν of CIGSe thin film after being annealed with the third annealing mode. 55 x Chapter 1: Literature Overview 1. The material system of Cu(In,Ga)Se2 quaternary CuInxGa1-xSe2 (CIGSe) quaternary is a p-type semiconductor material which is a member of the I-III-VI2 chalcopyrites family [1]. It has been known as an effective light-absorbing layer for thin film solar cell industry, and CIGSe thin film solar cells were first studied at the Bell laboratories in 1975.
Much efforts have been done on CICSe solar cells, therefore the efficiency of CIGSe solar cells have reached up to 23. Introduction of the structural property. The basis for the structure of CIGSe quaternary is the structure of CISe ternary. Some indium atoms in unit cell of CISe ternary are replaced by gallium atoms to form unit cell of CIGSe [1].1: The unit cell of the chalcopyrite lattice structure a) CuInSe2, b) Cu(In,Ga)Se2 [3].
CIGSe crystals have the tetragonal chalcopyrite lattice structure which drived from the cubic structure of the group IV semiconductor. The unit cell is corresponds to two stacked zincblende unit cells, where copper, indium and gallium atoms are regularly ordered. The lattice parameters of CuInxGa1-xSe2 are a=b= 5.696, value of c depend on value x composition of Ga element [4]. Optical and electrical properties Optical properties CIGSe semiconductors possess high optical absorbtion coefficient α > 105 cm-1, and relatively low direct band gap energy value in the range 1.7 eV, resulting from the hybridization of Cu d-orbitals and Se p-orbitals in the valence bands [5,6].
The band gap energy of CuIn1-xGaxSe2 compounds depend on the Ga/Ga+In concentration ratio, but also by the Cu content. The optical band gap energy of CuInSe2 is about 1. when In atoms are gradually substituted by gallium atoms, the band gap can be increase to 1.68 eV, which is the optical band gap energy of CuGaSe2 [1]. The band gap energies of the CuIn1-xGaxSe2 quaternary with different compositions from x= 0 to 1 are calculated based on an empirical ―bowing equation‖ [7,8]: Eg= 1.167x(1-x) (1) Where the so-called optical bowing coefficient is 0.
Electrical properties The CuIn1-xGaxSe2 absorber layer is a p-type semiconductor with hole concentration about 1016 - 1018 cm-3 at room temperature. The hole mobilities have been obtained values in the range of 15-150 cm2/Vs with single crystals and values of 5-50 cm2/Vs with polycrystalline films [9,10]. Overview of solar cell 1. The story of solar cell 2 In 1839, a French physicist-Alexander Edmond Becquerel discovered the technology directly producing electricity from the solar energy [11].
This was the beginning of the solar cell technology-which open a new gate for the renewable energy technology. Solar cells are often divided into three main caregories which are called generations up to recent years: - The first generation: Monocrystalline silicon (mono c-Si), polycrystalline silicon (poly c-Si) and armophous silicon cells. - The second generation: amorphous silicon (a-Si), CdTe and CuInS/CIGS. - The third generation: DSSCs, Perovskite and organic The first generation The first silicon solar cell with an efficiency of 6% was studied at Bell laboratories and reported by Chapin, Fuller and Pearson in 1954 [12].
One year later, the first commercial solar cells with 2% efficient were produced by Hoffman Electronics corporation using wafers of silicon (monocrystalline silicon). The following success of this technology was mostly founded on the further development of the Czochalski method in the 1940s enabling the production of high purity silicon [13], leading to the efficiency of these solar cells currently reaching to 26. However, the cost of fabricating monocrystalline silicon solar cells are high because of the purification process of bulk. Mandelkorn created n-on-p silicon solar cells which were better suited for space with more resistance to radiation damage at U.
Signal Corps Laboratories, and these cells were applied to a space satellite ― Vanguard 1‖ – a first solar powered satellite launched at this year with a 0.1W, 100 cm2 solar panel [15]. 3 Different from monocrystalline silicon solar cells, the solar cells made from polycrystalline silicon or amorphous silicon are much cheaper because they are much less pure than monocrystalline silicon, therefore the way slicon made is easier and simpler. However, the highest efficient solar cell made from polycrystalline silicon is recorded of 22.3% [14], lower monocrystalline solar cell.2 shows structure of a silicon solar cell. A silicon solar cell typically is a sandwich of two layers : the first layer is a positive layer ( p-type silicon ) which usually made by doping silicon with boron to form extra holes in the lattice.
The second layer is a negative layer ( n-type silicon ) which usually made by doping silicon with phosphorus to gain extra electrons in the lattice.2: The working of a silicon solar cell [16]. Some limitations of this generation : Silicon possesses an indirect band gap with a low absorption coefficient, so it is not a ideal material for a light conversion. Besides, the silicon absorber layers require a high purity and a thickness up to around 200 µm, therefore the cost of fabrication is high and the product is less visual aesthetic. The second generation 4 The second generation solar cells were studied with the purpose of reducing limitations of the first generation solar cells mentioned above.
The advantage of this generation is that Semiconductor materials used in this generation possess direct band gap.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học green and low cost preparat" nghiên cứu về vấn đề gì?
Tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học green and low cost preparation of cigse thin film by a nanocrystals ink based spin coating method. Tải miễn phí tại T
Luận án "Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học green and low cost preparat" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Yeungnam University. Năm bảo vệ: 2020.
Luận án "Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học green and low cost preparat" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học green and low cost preparat" thuộc chuyên ngành Chemical Engineering. Danh mục: Hóa Học.
Luận án "Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học green and low cost preparat" có bao nhiêu trang?
Luận án "Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học green and low cost preparat" có 81 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học green and low cost preparat" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.