Ανάπτυξη νανοδομών για βελτίωση φάσματος απορρόφησης φωτοβολταϊκών στοιχείων και προστασία σύνθετων διηλεκτρικών υλικών από περιβαλλοντικές συνθήκες

Abstract

This thesis is divided into two parts and its scope is the development of new materials which could be used either in the photovoltaic cell production or as dielectric materials. At the first Ni-CdSe Schottky contacts as well as Ni-CdSe-ZnO nanoflowers contacts were developed and their photovoltaic behavior was examined and characterized. At The second part composite materials in a polymer matrix of epoxy resin. As fillers were used in the first stage porous and non-porous alumina (Al2O3) in the form of a powder consisting of small-scale granules and nano-scale pores and in a second stage ZnO nanoflowers similar to those used in the first part of the dissertationThe first part of this thesis deals with the deposition of ZnO nanoflowers in Schottky Ni-CdSe contacts but also on pure Ni surface. for the purposes of this work Ni-ZnO nanoflowers were developed by the Sol-Gel spin-coating method. Then, the structure's surface was characterized by SEM, their crystal structure by XRD and their electrical behavior by the extraction of the characteristic I-V both in the presence of a weak diffuse solar radiation, and in darkness into a Faraday cage.Ni-CdSe contacts were also produced by the electrodeposition method. The electrodeposition duration time wasn't constant. Specifically, the electrodeposition time was varied between 2 min and 20 min. Because of that, the thickness of the deposited monocrystalline CdSe substrate was varied between 300nm to 2μm, respectively. for these contacts the same characterization techniques that were applied for the Ni-ZnO structures, were applied. Finally, for both the Ni-ZnO and Ni-300nm CdSe contacts theoretical models for the carrier generation mechanisms in each case, were proposed. Apart from that, ZnO nanoflowers were deposited in Ni-CdSe contacts (with electrodeposition time of 2 min, 5 min and 10 min) in two ways: a) by Sol-gel spin coating, where ZnO nanoflowers were dispersed in stearic acid solution and b) by simple casting deposition, where ZnO nanoflowers were dispersed in butanediol solution. In all structures, were characterized by SEM and XRD characterization and electrically by the extraction of characteristic I-V for each specimen under light conditions and in dark conditions both before and after their degassing on rough vacuum chamber of 2mbar constant pressure. Finally, is made an attempt to understand the mechanisms of the creation of electric carriers on each side acting on the specimens, by the interpretation the experimental results.The second part of this thesis deals with the production of composite materials in a polymer matrix of epoxy resin. As a filler, were used porous and non-porous alumina (Al2O3) in the form of a powder composed of small-scale granules and nano-scale pores, and ZnO nanoflowers similar to those which were used in the first part of the thesis. Firstly, samples of pure epoxy resin, epoxy resin - non-porous alumina, and epoxy resin-porous alumina specimens were produced. All specimens were cylindrical rod shaped and produced under the same conditions. The samples which containing alumina were manufactured in the following ratios of 1% Al2O3 wt and 5% Al2O3 wt. Thereafter, from each cylindrical ingot 4 wafers were extracted by mechanical turning. Then, the solid material under test was placed between the parallel plate electrodes of the Agilent 16451B test fixture that is used for dielectric measurements of disk shaped materials. The test fixture was connected to the LCR meter (Agilent 4284A) to provide results of the relative dielectric constant and the dissipation factor (tanδ). The test signal frequency varied between 10 Hz and 1 MHz. By the interpretation of the dielectric spectroscopy's results, the impact of the filler's structure, ratio and filler's precipitation in the overall dielectric behavior of the composites could be examined and results were extracted. Next, samples of pure epoxy resin and epoxy resin-ZnO nanoflowers were produced under the same environmental conditions of hardening and polymerization. These specimens were tablet-shaped. The epoxy resin-ZnO nanoflowers were produced at a ratio of 0.5% wt and 2% wt. Subsequently, the samples were subjected to a dielectric characterization in the field of high-frequency telecommunication frequencies (1 MHz-1 GHz) using a suitable complex impedance analysis LCR meter. Apart from that their reflectance as well as their refractive capacity in the optical range of the spectrum of electromagnetic radiation (200-1800 nm) and their energy gap using a spectrophotometer were determined. finally the samples were then subjected to three successive cycles of environmental aging, each of which lasted 72 hours through a suitable artificial aging device. Finally, between each aging cycle, all measurements were repeated

Η παρούσα διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη και έχει αντικείμενο την ανάπτυξη νέων υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως φωτοβολταϊκά στοιχεία, είτε ως διηλεκτρικά υλικά. Στο πρώτο μέρος γίνεται ανάπτυξη, μελέτη και χαρακτηρισμός ως προς τη φωτοβολταϊκή συμπεριφορά επαφών Schottky Ni-CdSe καθώς και πολλαπλών επαφών Ni-CdSe-ΖnO nanoflowers. Στο δεύτερο μέρος γίνεται ανάπτυξη σύνθετων υλικών σε πολυμερική μήτρα εποξειδικής ρητίνης. Ως πληρωτικά μέσα χρησιμοποιήθηκαν σε πρώτο στάδιο πορώδης και η μη πορώδης αλούμινα (Al2O3) υπό τη μορφή πούδρας αποτελούμενη από κόκκους μικρό-κλίμακας και πόρους νάνο-κλίμακας και σε δεύτερο στάδιο ZnO nanoflowers όμοια με αυτά που χρησιμοποιήθηκαν στο πρώτο μέρος της διατριβής.Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής ασχολείται με την εναπόθεση νανοδομών ZnO-nanoflowers σε επαφές Schottky Ni-CdSe αλλά και σε καθαρό Ni. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής αναπτύχθηκαν επαφές Ni-ZnO nanoflowers με τη μέθοδο Sol-Gel spin-coating. Στη συνέχεια, γίνεται χαρακτηρισμός επιφάνειας SEM, κρυσταλλικής δομής XRD, καθώς και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός μέσω της εξαγωγής της χαρακτηριστικής I-V των επαφών τόσο υπό τη παρουσία ασθενούς διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας, όσο και στο σκοτάδι σε κλωβό Faraday. Στη συνέχεια, παρήχθησαν επαφές Ni-CdSe με τη μέθοδο της ηλεκτροαπόθεσης. Ο χρόνος ηλεκτροαπόθεσης δεν ήταν σταθερός. Συγκεκριμένα οι χρόνοι ηλεκτροαπόθεσης ήταν 2 min έως και 20 min. Με αυτόν τον τρόπο το πάχος του υποστρώματος μονοκρυσταλλικού CdSe που εναποτέθηκε ήταν από 300nm και 2μm αντίστοιχα. Και για αυτές τις επαφές έγιναν οι ίδιοι χαρακτηρισμοί που έγιναν και για τις επαφές Ni-ZnO. Tέλος, προτείνονται και για τις δύο επαφές Ni-ZnO και Ni-300nm CdSe θεωρητικά μοντέλα για τον μηχανισμό δημιουργίας φορέων σε κάθε περίπτωση. Εκτός αυτού, στα πλαίσια αυτής της διατριβής έγινε εναπόθεση των ZnO nanoflowers σε επαφές Ni-CdSe (με χρόνο ηλεκτροαπόθεσης 2 min, 5 min και 10 min) με δύο τρόπους : α) με τη μέθοδο Sol-gel spin coating, όπου τα ZnO nanoflowers ήταν σε διάλυμα στεατικού οξέως και β) με απλή εναπόθεση, όπου τα ZnO nanoflowers ήταν σε διάλυμα βουτανοδυόλης. Σε όλες τις δομές έγινε χαρακτηρισμός επιφάνειας SEM, κρυσταλλικής δομής XRD, καθώς και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός της εξαγωγής της χαρακτηριστικής I-V για κάθε δοκίμιο σε συνθήκες φωτισμού και σε συνθήκες σκότους, τόσο πριν όσο και μετά από την απαερίωση των δοκιμίων σε κενό 2mbar. Τέλος, γίνεται προσπάθεια καταγραφής και κατανόησης των μηχανισμών δημιουργίας ηλεκτρικών φορέων εκατέρωθεν που δρουν στα δοκίμια, μέσω της εξαγωγής συμπερασμάτων.Το δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής ασχολείται με την ανάπτυξη σύνθετων υλικών σε πολυμερική μήτρα εποξειδικής ρητίνης. Ως πληρωτικά μέσα χρησιμοποιήθηκαν σε πρώτο στάδιο πορώδης και η μη πορώδης αλούμινα (Al2O3) υπό τη μορφή πούδρας αποτελούμενη από κόκκους μικρό-κλίμακας και πόρους νάνο-κλίμακας, και σε δεύτερο στάδιο ZnO nanoflowers όμοια με αυτά που χρησιμοποιήθηκαν στο πρώτο μέρος της διατριβής. Σε πρώτο στάδιο, παρήχθησαν μαζί δοκίμια καθαρής εποξειδικής ρητίνης, δοκίμια εποξειδικής ρητίνης – μη πορώδους αλούμινας και δοκίμια εποξειδικής ρητίνης-πορώδους αλούμινας. Όλα τα δοκίμια είχαν σχήμα κυλινδρικής ράβδου και παρήχθησαν κάτω από τις ίδιες συνθήκες. Τα δοκίμια που περιείχαν αλούμινα κατασκευάστηκαν με τις εξής αναλογίες 1% Al2O3wt και 5% Al2O3wt. Εν συνεχεία, από κάθε κυλινδρική ράβδο εξήχθησαν 4 δισκία μέσω μηχανικής τόρνευσης, τα οποία χαρακτηρίστηκαν διηλεκτρικά στο πεδίο των χαμηλών συχνοτήτων ( 100 Hz-1 MHz ) με χρήση γέφυρας συχνοτήτων σύνθετης μιγαδικής ανάλυσης. Με αυτό τον τρόπο έγινε προσπάθεια ερμηνείας του ρόλου, τόσο της δομής το πληρωτικού υλικού, όσο του ποσοστού αναλογίας του όσο και των φαινομένων κατακρήμνισης που αυτό υφίσταται, στη συνολική διηλεκτρική συμπεριφορά του σύνθετου υλικού. Σε δεύτερο στάδιο, παρήχθησαν δοκίμια καθαρής εποξειδικής ρητίνης και δοκίμια εποξειδικής ρητίνης-ZnO nanoflowers κάτω από τις ίδιες περιβαντολλογικές συνθήκες σκλήρυνσης και πολυμερισμού. Τα συγκεκριμένα δοκίμια ήταν σε σχήμα δισκίου. Τα δοκίμια εποξειδικής ρητίνης-ZnO nanoflowers παρήχθησαν με αναλογίες 0,5 % wt και 2 % wt. Στη συνέχεια το δοκίμια υπέστησαν διηλεκτρικό χαρακτηρισμό στο πεδίο των υψηλών-τηλεπικοινωνιακών συχνοτήτων ( 1 ΜΗz-1 GHz ) με χρήση κατάλληλης γέφυρας συχνοτήτων LCR ανάλυσης σύνθετης μιγαδικής αντίστασης καθώς επίσης προσδιορίστηκε τόσο η ανακλαστική ικανότητας όσο η διαθλαστική ικανότητα τους στο οπτικό εύρος του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (200-1800 nm) όσο και το ενεργειακό τους διάκενο με τη χρήση φασματοφωτομέτρου. Εν συνεχεία τα δοκίμια υπεβλήθησαν σε τρεις διαδοχικούς κύκλους περιβαλλοντικής γήρανσης που ο καθένας διαρκούσε 72 ώρες μέσω κατάλληλης διάταξης τεχνητής γήρανσης. Τέλος, μεταξύ του κάθε κύκλου γήρανσης, όλες οι μετρήσεις επαναλαμβάνονταν.