Ηλεκτροχημεία διαλυμάτων Cu(II), In(III), Se(IV) σε υπόστρωμα SnO2/υάλου και ηλεκτροαπόθεση διμερών και τριμερών ενώσεων υπο συνθήκες συνεχούς ή παλμικού δυναμικού

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως σκοπό την αναζήτηση του βέλτιστου τρόπου παρασκευής λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού CuInSe2 με την τεχνική της ηλεκτρολυτικής απόθεσης και σύγκριση των αποτελεσμάτων με προηγούμενες εργασίες που πραγματοποιήθηκαν στο ίδιο Εργαστήριο. Η πειραματική εργασία αφορά κυρίως αποθέσεις διμερών και τριμερών ενώσεων από όξινα ηλεκτρολυτικά λουτρά προδρόμων [Cu+2] και [Se+4] ή [Cu+2], [Se+4] και [In+3]. Οι αποθέσεις έγιναν υπό συνθήκες παλμικού και σταθερού δυναμικού με μεταβολή του χρόνου απόθεσης, του pΗ του διαλύματος, του δυναμικού φόρτισης και άλλων συνθηκών. Οι αποθέσεις έγιναν κυρίως σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, από 25 έως 30 οC. Όλα τα δείγματα υπέστησαν θερμική κατεργασία ανόπτησης (350 οC για 30 λεπτά) σε ατμόσφαιρα αζώτου, και χαρακτηρίστηκαν ως προς τη δομή, τη σύσταση, και τη μορφολογία τους με περίθλαση ακτίνων X (XRD), με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και με μικροανάλυση ακτίνων Χ από διασπορά ενέργειας (EDX). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή σχετικά με τις Φωτοβολταϊκές διατάξεις, το ρόλο των λεπτών υμενίων σ' αυτές αλλά και τον χαλκοπυρίτη CuInSe2 ως φωτοβολταϊκό υλικό. Στο δεύτερο κεφάλαιο, αναλύονται βασικές ηλεκτροχημικές τεχνικές, όπως η κυκλική βολταμμετρία και η ηλεκτροαπόθεση υπό συνθήκες σταθερού και παλμικού δυναμικού. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στη μέθοδο της ηλεκτρολυτικής απόθεσης συγκεκριμένα για την παρασκευή λεπτών υμενίων CuInSe2. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναλύονται οι τεχνικές μελέτης, με τις οποίες έγινε ο χαρακτηρισμός των αποθεμάτων. Στη συνέχεια, περιγράφεται η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε για την παρασκευή λεπτών υμενίων CuInSe2 πάνω σε υπόστρωμα αγώγιμου γυαλιού (indium tin oxide glass, ΙΤΟ) όπως επίσης αναφέρονται και μερικά βιβλιογραφικά στοιχεία για το ίδιο το υπόστρωμα ΙΤΟ. Αναφορά γίνεται στο δομικό και οπτικό χαρακτηρισμό των αποθεμάτων, καθώς και στη διαδικασία της θερμικής κατεργασίας στην οποία υποβλήθηκαν. Στο πέμπτο κεφάλαιο, γίνεται παρουσίαση και μελέτη αποθεμάτων του συστήματος Cu + Se, όπως και σχολιασμός των αποτελεσμάτων. Η δημιουργία αποθέματος στο σύστημα Cu + Se είναι βασική για την περαιτέρω μελέτη. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται και αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα απόθεσης τριμερούς CuInSe2 και εξάγονται συμπεράσματα από την αποτίμηση των αποτελεσμάτων. Συμπερασματικά, φαίνεται ο σχηματισμός υψηλής ποιότητας χαλκοπυρίτη CuInSe2 σε υπόστρωμα ΙΤΟ είναι εφικτός μέσω της ηλεκτροαπόθεσης ενός βήματος από ένα ενιαίο λουτρό των προδρόμων [Cu+2], [In+3] και [Se+4], με εφαρμογή συνθηκών παλμικού δυναμικού. Τα αποτελέσματα εμφανίζονται να εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις ανεξάρτητες παραμέτρους των συνθηκών παλμικού δυναμικού. Γενικά, διαπιστώθηκε ότι αναγκαία συνθήκη για την επίτευξη καλής στοιχειομετρίας, αλλά κυρίως για να αποφευχθεί ο σχηματισμός ανεπιθύμητων φάσεων είναι η εφαρμογή χρόνου toff πολύ μεγαλύτερης διάρκειας σε σχέση με το ton. Ταυτόχρονα, απαραίτητη είναι η διαδικασία ενεργοποίησης της επιφάνειας του ΙΤΟ για χρόνο μεγαλύτερο των 30 s. Τα καλύτερα ηλεκτροαποθέματα που παρασκευάστηκαν είναι πλούσια σε κρυσταλλίτες CuInSe2 και συγγενών τριμερών, ακόμη και πριν τη θερμική κατεργασία, αλλά περιέχουν και διμερείς ενώσεις σεληνιδίων του χαλκού (Cu2-xSe, CuSe, κλπ.) σε μικρές όμως ποσότητες. Είναι σημαντικό ότι η μικροδομή αυτή ήταν εξαιρετικά κατάλληλη για υποβολή σε θερμική κατεργασία, δηλαδή τα φιλμ που παρασκευάστηκαν με την τεχνική παλμικής απόθεσης αποδείχτηκε ότι αποτελούν ιδανική πρώτη ύλη για την πραγματοποίηση επιτυχημένης θερμικής κατεργασίας, καθώς και μετά την πύρωση εμφανίζεται μια καλά σχηματισμένη κρυσταλλική φάση CuInSe2.