چکیده

اکسید روی و نانو ساختارهای آن به دلیل خواص منحصر به فرد اپتیکی، گاف انرژی مناسب و در نتیجه کاربردهای متنوع از چند دهه گذشته موضوع تحقیق پژوهشگران بسیاری بوده‌ است. ناگفته نماند نانو‌‌ساختارهای اکسید روی کیفیت و کارایی بسیار بالایی نسبت به اکسید روی معمولی دارند. در این پژوهش از روش‌های الکتروانباشت و هیدروترمال استفاده و نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی را در دماهای مختلف تولید شده است. خواص ساختاری و مورفولوژی ساختارهای تولید شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف پراش اشعه ایکس مشخصه یابی شده‌اند. نتایج حاصل نشان دادند که نانو ساختارهای تولید شده بدون هیچ‌گونه ناخالصی و با مورفولوژی‌های بسیار متنوع تولید شده‌اند که نشان‌دهنده‌ی زیاد شدن نسبت سطح به حجم می‌باشد. نکته قابل توجه در اینجا تولید نانوساختارهای ترکیبی اکسیدروی می‌باشد و نشان داده شده است که ساختار تولید شده بر روی سطح صاف به شدت متفاوت از نانوساختارهای تولید شده بر روی یک ساختار دیگر است. این نکته قابل توجه قرار گرفته و خصوصیات اپتیکی این نانوساختارها مورد بررسی قرار گرفته و سپس  به بررسی ساخت سلول خورشیدی پرداخته و استفاده از فناوری‌ نانو در ساخت سلول خورشیدی را مورد مطالعه قرار می‌دهیم.

 

 

کلید واژه: نانوساختار، اکسیدروی، الکتروانباشت، روش هیدروترمال، سلول خورشیدی

 

فهرست مطالب

 

عنوان                                                                                                   صفحه

 

فصل اول : مقدمه

1- 1-  مقدمه ای بر نانو فناوری.. 2

1-2-   فناوری نانو و همگرایی علمی.. 3

1-2-1-  نانو فناوری مرطوب… 3

1-2-2- نانو فناوری خشك…. 3

1-2-3- نانو فناوری تخمینی (محاسبه‌ای) 4

1- 3-  لزوم توجه به مقیاس نانوساختار 4

1- 4-  نانوساختارهای اکسیدروی.. 5

1- 5-  معرفی فصل‌های آینده 7

 

فصل دوم: طبقه بندی و روش‌های سنتر نانو مواد

 

2-1-  مقدمه. 9

2-2-  طبقه‌بندی نانو مواد از نظر ابعاد. 9

2-2-1- نانو مواد صفر بعدی.. 10

2-2-2- نانو مواد یک بعدی.. 10

2-2-3- نانو مواد دو بعدی.. 11

2-2-4- نانو مواد سه بعدی.. 11

2-3- روش‌های سنتر عناصر پایه. 12

2-3-1- روش بالا به پایین.. 13

2-3-1-1- تغییر شکل‌دهی پلاستیکی شدید  (SPD) 13

 

عنوان                                                                                                   صفحه

 

2-3-1-2- آسیاب‌های پرانرژی.. 14

2-3-1-3- لیتوگرافی.. 15

2-3-1-4- سونش…. 16

2-3-2- روش پایین به بالا. 16

2-3-2-1- روش‌های فیزیكی تبخیری.. 19

2-3-2-1-1-  روش تبخیر گرمایی.. 20

2-3-2-1- 2- روش تبخیر توسط باریکه‌ی الکترونی.. 21

2-3-2-1- 3- روش برآرایی توسط باریکه مولکولی (MBE) 23

2-3-2-1- 4 – روش لیزری پالسی (PLD) 24

2-3-2-1-5 – روش تبخیر به کمک شعاع یونی (IBAD) 25

2-3-2-2 – روش کندوپاش…. 26

2-3-2-2 – 1- روش کندوپاش با جریان مستقیم (DC) 27

2-3-2-2 -2- روش کندوپاش با امواج رادیویی (RF) 28

2-3-2-2 -3- روش کندوپاش با شتابدهنده مغناطیسی.. 29

2-3-2-3- روش چرخشی ( اسپینی ) 30

2-3-2-4-  سل –  ژل.. 30

2-3-2-5- هیدروترمال.. 32

2-3-2-6- آندایزکردن.. 32

2-3-2-7- روش صفحه گذاری.. 33

2-3-2-7- 1- روش صفحه گذاری با الکتریسیته ( الکترولیز ) 33

2-3-2-7- 2- صفحه گذاری بدون الکتریسیته. 34

2-3-2-8-  روش‌های شیمیایی تبخیری.. 35

 

 

 

عنوان                                                                                                   صفحه

 

 

فصل سوم: خواص و ویژگی­های نیمه‌رساناها

 

3-1 –  مقدمه. 38

3-2 –  خواص اساسی نیمه‌رساناها 39

3-2-1- ساختار نواری.. 39

3-2-2- گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمه‌رساناها 40

3-2-3- انتقال حامل در نیمه‌رسانا 41

3-3 –  اکسید روی.. 44

 

3-3-1- ساختار بلوری اکسید روی.. 46

3-3-2- خواص مهم اکسید روی.. 50

3-4-  روش‌های ساخت نانوساختارهای اکسید روی.. 51

3-4-1- ساخت نانوسیم‌‌های اکسید روی.. 52

3-4-1- 1-  رشد فاز بخار 52

3-4-1- 2-  رشد فاز مایع.. 53

الف – روش هیدروترمال.. 53

الف – 1- تأثیر روش ‌بذر گذاری بر روش هیدروترمال.. 55

الف – 2-  تأثیر مدت زمان رشد بر روش هیدروترمال.. 57

الف – 3- تأثیر PH  محلول اولیه بر روش هیدروترمال.. 58

الف – 4- تأثیر جنس زیرلایه بر روش هیدروترمال.. 59

الف – 5- تأثیر دمای رشد بر روش هیدروترمال.. 59

الف – 6- تأثیر مواد افزودنی بر روش هیدروترمال.. 60

الف – 7- تأثیر HTMA  در شکل‌گیری نانوسیم‌ها در روش هیدروترمال.. 60

الف -8- تأثیر عوامل دیگر بر روش هیدروترمال.. 61

ب –  سایر روش‌های سنتز فاز محلول.. 61

3-4-2- ساخت نانوحفره‌‌‌های اکسید‌روی.. 62

عنوان                                                                                                   صفحه

 

 

3-4-2- 1-  ساخت به روش سلول الکتروشیمیایی 52

 

فصل چهارم: کاربردهای اکسیدروی

 

4-1 –  مقدمه. 69

4-2 –  حسگرها 70

4-2-1-حسگرگازی.. 70

4-2-2- زیست‌حسگرها 71

4-3 – خاصیت فوتو‌كاتالیستی.. 71

4-4 –  سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای.. 72

4-4-1- اجزای تشکیل دهنده‌ی سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه. 73

4-4-1-1-  زیرلایه. 73

4-4-1-2-  فوتو آند. 74

4-4-1-3-  الکترولیت… 74

4-4-1-4- الکترود شمارشگر (کاتد) 75

4-4-1-5-  جاذب نور 75

4-4-2- اصول عملکرد سلول خورشیدی رنگدانه‌ای.. 76

 

 

 

فصل پنجم: تولید نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی

 

5-1 –  مقدمه. 78

5-2- تمیزکاری.. 77

5-3- تولید نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی.. 79

 

عنوان                                                                                                   صفحه

 

5-3-1- رشد نانوسیم اکسیدروی بر روی نانوحفره اکسیدروی.. 80

5-3-1-1- تولید نانوحفره 80

5-3-1-2- تولید نانوسیم.. 81

5-3-1-2- 1- تولید پوشش دانه‌ای.. 82

5-3-1-2- 2- رشد آرایه‌های نانو‌سیمی به روش هیدروترمال.. 82

5-3-1-3- بررسی اثر ولتاژ بر روی شکل‌گیری نانوساختارها 85

5-3-2- رشد نانوحفره‌ها بر روی لایه نازک از نانوسیم اکسیدروی.. 87

5-4- ساختار بلوری.. …………89

5-5- بررسی خواص نوری.. 90

5-6 –  ساخت سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه. 93

5-6-1- آماده‌ سازی الکترود کار در سلول خورشیدی رنگدانه‌ای.. 39

5-6-2- آماده‌ سازی الکترود مقابل در سلول خورشیدی رنگدانه‌ای.. 93

5-6-3- آماده‌ سازی الکترولیت در سلول خورشیدی رنگدانه‌ای.. 93

5-6-4- بستن سلول خورشیدی رنگدانه‌ای.. 94

5-6-5- مشخصه‌یابی سلول‌ خورشیدی رنگدانه‌ای.. 94

 

 

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات………………………………………………………………..96

 

مراجع………………………………………………………………………………………………………………………………………..100

 

 

چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی

 

 

فهرست جدول­ها

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

جدول (3-1) خواص مهم اکسید روی .. 50

جدول (3-2) قطر و طول نانومیله‌های اکسیدروی متناسب با ضخامت لایه بذرگذاری شده. 56

جدول (3-3) میانگین قطر نانوسیم‌ها در زمان‌های مختلف .. 58

عنوان                                                                                                                          صفحه   

 

شکل (2-1) مقایسه روش بالا به پایین و روش پایین به بالاتولید نانو ذرات……………………………………..12

شکل (2-2)  نمودار درختی روشها­ی فیزیکی لایه­نشانی …………………………………………………………………..18

شکل (2-3) نمودار درختی روشها­ی شیمیایی لایه­نشانی…………………………………………………………………..19

شکل (2-4) طرحواره‌ای از روش لایه‌نشانی تبخیری ………………………………………………………………………..21

شکل (2-5) طرحواره‌ای از دستگاه لایه نشانی تبخیری به کمک باریکه الکترونی……………………………22

شکل (2-6)  طرحواره‌ای از لایه­گذاری منظم پرتوی مولکولی……………………………………………………………23

شکل (2-7) طرحواره‌ای از از دستگاه لایه نشانی لیزری پالسی ………………………………………………………..24

شکل (2-8) طرحواره‌ای از از لایه‌نشانی به روش کند­و­پاش ………………………………………………………………26

شکل (2-9) طرحواره‌ای از دستگاه لایه‌نشانی کندوپاش       RF………………………………………………… 28

شکل (2-10)  طرحواره‌ای از روش لایه‌نشانی سل – ژل …………………………………………………………………36

شکل (3-1) نحوه قرارگیری ترازها، نوارها و گاف انرژی…………………………………………………………………….40

شکل (3-2) ساختار بلوری اکسید روی……………………………………………………………………………………………….46

شکل (3-3) ساختار ورتسایت اکسید روی …………………………………………………………………………………………48

شکل (3-4) ساختارهای مختلف اکسید روی ……………………………………………………………………………………51

شکل (3-5) طرح واره ای از بذر گذاری استات روی بر روی بستر شیشه با لایه نشانی                                       چرخشی …………………………………………………………………………………………………………………………57

شکل (3-6) تصویری از یک سلول الکتروشیمیایی را برای رسوب دادن یک فلز، روی یک

الکترود جامد ……………………………………………………………………………………………………………………62

عنوان                                                                                                                          صفحه   

 

شکل (3-7) طرحواره‌ای از یک دستگاه پتانسیواستات با سل الکتروشیمیایی که با دو امپدانس       جایگزین شده است ……………………………………………………………………………………………………….67

شکل (3-8) سلول الکتروشیمیایی سه الکترودی با منبع تغذیه………………………………………………………..67

شکل (4-1) طرحواره و نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای…………………………………………….76

شکل (5-1) شستشوی زیرلایه با بهره گرفتن از التراسونیک …………………………………………………………………..79

شکل (5-2) تصویر SEM   از رشد نانو ساختارهای اکسید روی …………………………………………………….81

شکل (5-3) طرحواره‌ی راکتور طراحی شده جهت روش هیدروترمال………………………………………………83

شکل (5-4) سامانه استفاده شده برای رشد آرایه‌های نانوسیمی، به روش هیدروترمال……………………83

شکل (5-5) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی هیدروترمال………………83

شکل (5-6) تصویر SEM   از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی هیدروترمال بر روی       زیرلایه صاف  و خام FTO……………………………………………………………………………………………84

شکل (5-7) نانوپروس‌های تولید شده توسط الکتروانباشت  الف) در ولتاژ 0.5 ولت، ب) در   ولتاژ 1.0   ولت، ج) در ولتاژ 1.5ولت و د) در ولتاژ  2.0ولت  ……………………………………………………….85

شکل (5-8) نانومیله‌ها و نانوکلوخه‌های شکل گرفته بر روی زیرلایه‌های تولید شده به روش الکتروانباشت در  الف) ولتاژ 5/0 ولت، ب)  ولتاژ 1.0 ولت ج)  ولتاژ  5/1 ولت  و د) ولتاژ 2.0 ولت………………………………………………………………………………………………………………….86

شکل (5-9) تصویرSEM  از رشد نانو ساختارهای اکسید روی که بصورت نانومیله هستند در

مرحله‌ی هیدروترمال………………………………………………………………………………………………………….87

شکل (5-10) تصویر SEM   از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی الکتروانباشت

الف) در ولتاژ 0.5 ولت، ب)  در ولتاژ 1.0 ولت  ج)  در ولتاژ  1.5 ولت

و د) در ولتاژ 2.0 ولت ………………………………………………………………………………………………..88

 

 

عنوان                                                                                                                          صفحه   

 

شکل (5-11) الگوی پراش پرتو ایکس از نانو دیسک‌ها ی اکسید روی تولید شده به روش

الکترو انباشت…………………………………………………………………………………………………….88

شکل (5-12) منحنی جذب نانو سیم‌های اکسید روی، تک مرحله‌ای……………………………………………….90

شکل (5-13) منحنی جذب نانو پروس‌های اکسید روی، تک مرحله‌ای …………………………………………..91

شکل (5-14) منحنی جذب نانوساختار ترکیبی ZnO …………………………………………………………………….92

شکل (5-15) منحنی جریان – ولتاژ سلول خورشیدی حساس شده به رنگ با لایه اکسید‌روی……

مقدمه ای بر نانوفناوری

 

نانو فناوری محدوده­ای از فناوری است كه در این محدوده انسان می ­تواند انواع مواد، وسایل و ابزارها و بطور كلی، سیستم­ها و سازه­های گوناگون را در مقیاس یک میلیاردم متر طراحی كرده و به مرحله ساخت برساند. بطور دقیق