Ανάπτυξη Νανοδομών Για Βελτίωση Φάσματος Απορρόφησης Φωτοβολταϊκών Στοιχείων Και Προστασία Σύνθετων Διηλεκτρικών Υλικών Από Περιβαλλοντικές Συνθήκες

Abstract

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 46δισκία 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.