ترسيب الحزمة العنقودية للنظام النانوي الهجين Zn-N-C للتطبيقات الكهروبصرية

الباحث

علي جبر عداي

المشرف

مظفر علي محمد - رائد عبد الوهاب اسماعيل

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم العلوم التطبيقية / تقانات المواد

الشهادة

دكتوراه

السنة

2022

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Cluster Beam Deposition; Zn-N-C Nanohybrid; Optoelectronics; Thin Films

تعد أشباه الموصلات النانوية الهجينة واعدة للغاية للتطبيقات الالكترويصرية. لكن من الناحية العملية فان تقنية التصنيع تعتبر مشكلة أساسية. يتناول العمل في هذه الأطروحة هذا التحدي من خلال البحث في علاقات الخصائص التركيبية للتراكيب النانوية الهجينة في النظام .Zn-N-C تمت دراسة الأغشية الرقيقة ذات البنية النانوية 753112 و CNx المُصنّعة بواسطة تقنية الترذيذ المغنتروني، بما في ذلك تحسين معلمات الترسيب لكل تركيب على حدة والنظام النانوي الهجين. علاوة على cull تم تصنيع نبائط غير متجانسة للنتريد والنظام الهجين لاستكشاف الاستخدام المحتمل في تطبيقات النبائط الالكترويصرية. قُسمت الأطروحة إلى ثلاثة أقسام رئيسية؛ في القسم Ss) تم ترسيب غشاء رقيق 7225712 على قواعد من الزجاج والسيليكون بواسطة الترذيذ المغنتروني التفاعلي المستمر. تمت دراسة الخواص التركيبية والبصرية والكهريائية للأغشية بمعدلات تدفق غاز نتروجين مختلفة. تؤكد نتائج حيود الأشعة السينية (XRD) للأغشية تكوين تركيب بلوري مكعب مضاد للبيكسبايت :72211 مع اتجاه مفضل للنمو على المستوى (400). تم استخدام مجهر القوة الذرية (AFM) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لدراسة التضاريس السطحية والشكلية للغشاء المترسب. يُظهر تحليل رامان للأغشية قمتين عريضتين عند 265 و 567 سم ! تعودان للتركيب -Zng3N2 تراوحت فجوة الحزمة البصرية للأغشية من 1.27 إلى 2.1 الكترون فولت مع زيادة معدل تدفق غاز النيتروجين. أظهرت خصائص 1-7 و C-V للوصلات غير المتجانسة Zn3No/p-Si خصائص تقويم واضحة، وكان age البناء الداخلي ضمن المدى من 0.51 إلى 0.82 فولت. بينت جميع النبائط أنها تمتلك استجابة طيفية واسعة وكانت أعلى استجابة A/W) 0.15( وكفاءة كمية 35/ عند 600 نانومتر. في القسم الثاني، تم استخدام الأغشية الرقيقة من نيتريد الكريون غير المتبلور كطلاء جديد مضاد للانعكاس ثنائي الوظيفة (ARC) للخلايا الشمسية lS الاساس من السيليكون البلوري. تم تصنيع CNx Andel بتقنية الترذيذ المغنتروني الراديوي وتم تشخيصها بتقنيات تحليل تركيبية وبصرية مختلفة. لوحظ من خلال النتائج أن جميع الأغشية ogi CNx قابلية نفور ممتازة للماء مع أكبر زاوية تماس للماء (WCA) تبلغ 105 درجة. كان الحد الأدنى للانعكاس 0.3/ عند 550 نانومترء وكانت الكفاءة الكمية الخارجية حوالي 90/ ضمن نطاق اطوال موجية واسعة. كان جهد الدائرة المفتوحة وكثافة تيار الدائرة القصيرة mV) 578) و ) 33.85 (mAcm” على التوالي. تم تحقيق كفاءة تحويل كهروضوئي بنسبة 13.05/ باستخدام الخلية الشمسية C- Si المطلية مقارنة ب 5.52/ للخلية الشمسية c-Si غير المطلية. علاوة على ذلك، تم استخدام الثوابت البصرية المقاسة كمعلمات إدخال في برنامج PCID لمحاكاة الأداء الكهروضوئي للخلايا الشمسية.

Nanohybrid semiconductors are extremely promising for optoelectronic applications. The fabrication technique of these nanostructures is practically a crucial problem. This thesis investigates structure-property relationships of Zn-N-C nanohybrid structures. Zn3N2 and CNx nanostructure thin films produced by magnetron sputtering have been examined, including optimizing deposition parameters for each structure alone and the nanohybrid system. To explore photoelectric device applications, a heterojunction silicon-based photodetector of the nitrides and hybrid systems was also made. The thesis is therefore divided into three sections; in the first section, a Zn3N2 thin film was deposited on glass and silicon substrates by DC reactive magnetron sputtering. The structural, optical, and electrical properties of the films at various N2 gas flow rates were investigated. X- ray diffraction (XRD) results of the films confirm the formation of a crystalline cubic antibixbyite Zn3N2 structure with a preferred orientation along the (400) plane. Atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) have been used to study the surface topography and morphology of the deposited film. Raman analysis of the films shows two broad peaks at 265 and 567 cm-1 related to the Zn3N2 compound. The optical bandgap of the films ranged from 1.27 to 2.1 eV at room temperature with increasing N2 gas flow rate. The I-V and C-V characteristics of Zn3N2/p-Si heterojunctions showed rectification characteristics, and the built-in potential was in the range of 0.51 to 0.82V. All the devices were found to have a broad responsivity, with the highest responsivity of 0.15 A/W and an external quantum efficiency of 35% at 600 nm. In the second section, amorphous carbon nitride thin films have been used as a novel dual-function anti-reflection coating (ARC) for c-Si solar cells. The CNx films were synthesized by the RF magnetron sputtering and characterized by different structural and optical analysis techniques. It is also observed that all the CNx films show excellent hydrophobicity with the largest water contact angle (WCA) of 105°. The minimum reflectance was 0.3% at 550 nm, and the external quantum efficiency was about 90% within a broad wavelength range. The open-circuit voltage and short circuit current densities were 578 mV and 33.85 mAcm-2, respectively. A photoelectric conversion efficiency of 13.05% was achieved with the coated c-Si solar cell compared to 5.52% for the uncoated c-Si solar cell. Furthermore, the measured optical constants were used as input parameters in the PC1D program to simulate the photovoltaic performance of the solar cells. Findings revealed that the average reflectance was reduced by 64% using the CNx coating in the 300–1300 nm wavelength range. According to the simulation results, the optimum thickness of the CNx film is 85 nm, which can produce the highest power conversion efficiency of the c-Si solar cell. Both the simulation study and the experiment results showed that coating CNx on c-Si solar cells could be a suitable candidate as a novel ARC material for efficient c-Si solar cells. The last section of this thesis covers the preparation and characterization of the photovoltaic device based on the hybrid system of Zn3N2 and CNx. Simulation analysis of a magnetron sputtering source has been performed with the particle-in- cell/Monte Carlo collision (PIC/MCC) finite element method to optimize the configuration of the mosaic target. The simulated and fabricated mosaic target was used to deposit the nanohybrid films on glass and silicon substrates. The accuracy of the simulation was verified by comparison with the eroded target. Finally, the focus was devoted to investigating the properties of the films formed under the optimal conditions that were previously achieved. The structural analysis shows that the deposited film has a cauliflower-like structure composed of nanoscale clusters. The statistical distribution analysis based on FESEM, and AFM images revealed the presence of two overlapping grain size distributions, indicating the formation of two distinct types of grains. The chemical analysis of the nanohybrid films shows that the Zn:C ratio is significantly high. Optical measurements have revealed several absorption edges indicative of the hybrid or multi-compound film. Heterojunction devices made from the mosaic target have an ideality factor of 2.9 and a maximum rectifying ratio of 13.7. The results show an improved spectral responsivity of about 0.35 A/W at 500 nm, quantum efficiency of about 90%, and specific detectivity of about 2.031011 Jones at 500 nm compared to the pure nitride devices. The findings of this work clearly show that the nanohybrid system is a promising potential candidate for photovoltaic applications.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب