Υδροθερμική ανάπτυξη νανοϋλικών ZnO και μελέτη της εφαρμογής τους σε φωτοβολταϊκά κελιά σε συνδυασμό με τη μορφολογία τους - Tαμπακάκη, Στυλιανή (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2014)
Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στην εργαστηριακή μονάδα «Προηγμένων Σύνθετων Νανοϋλικών και Νανοτεχνολογίας» της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Σκοπός της παρούσας εργασίας αρχικά είναι η παρασκευή οξειδίου του ψευδαργύρου διάφορων μορφολογιών υπό μορφή σκόνης, με την υδροθερμική μέθοδο σε αυτόκλειστο αντιδραστήρα, καθώς επίσης και η απόθεση ψευδαργύρου μέσω κυκλικής βολταμμετρίας σε μεταλλικό υπόστρωμα και περεταίρω αντίδρασή του με νερό σε αυτόκλειστο αντιδραστήρα προς δημιουργία οξειδίου του ψευδαργύρου. Ο χαρακτηρισμός των υλικών οξειδίου του ψευδαργύρου θα πραγματοποιηθεί με τη μέθοδο της Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD) και μέσω Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης / Συστήματος Μικροανάλυσης (SEM/EDAX). Επίσης, θα μελετηθεί και η απορρόφηση της UV/Vis ακτινοβολίας στα υλικά από διάλυμα ομοιόμορφης διασποράς τους. Τέλος, εξετάζεται εάν τα υλικά που έχουν παρασκευασθεί είναι φωτοαγώγιμα, για πιθανή εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκά κελία. Για το σκοπό αυτό, αποτίθενται σε κυλινδρικά δοκίμια Νικελίου, Ni, με τη μέθοδο spin coating επιστρώσεις υλικού από διάλυμα διασποράς του σε αιθανόλη και στεατικό οξύ και κατόπιν υποβάλλονται σε θερμική επεξεργασία παρουσία ατμοσφαιρικού αέρα για την απομάκρυνση του στεατικού οξέος. Τα δοκίμια χαρακτηρίζονται ως προς τις ηλεκτρικές ιδιότητές τους με τη βοήθεια κλωβού Faraday σε συνθήκες σκοταδιού (6 δοκίμια) και φωτός (2 δοκίμια) μέσω της λήψης κυματομορφών I-V (καταγράφοντας την ένταση του ρεύματος για διάφορες τιμές τάσεως). Πραγματοποιήθηκε υδροθερμική σύνθεση ZnO σε αυτόκλειστο αντιδραστήρα (αυξημένη θερμοκρασία, 200 °C και πίεση) από τα αρχικά διαλύματα ZnCl2 - NaOH και ZnC4H6O6 - NaOH σε αναλογίες Zn2+ : OH- 1:16 ή 1:8 ή 1:5. Στις πρώτες ύλες χρησιμοποιήθηκαν επίσης η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG), η αιθανόλη/μεθανόλη (C2H6O/CH3OH) και δις-απεσταγμένο νερό. To υλικό που παράχθηκε διαχωρίζεται με φυγοκέντρηση, συλλέγεται, ζυγίζεται και χαρακτηρίζεται με τις μεθόδους που προαναφέρθηκαν. Επίσης, πραγματοποιήθηκε απόθεση Zn από ηλεκτρολυτικό διάλυμα ZnCl2 0.5 Μ σε επίπεδη επιφάνεια ανοξείδωτου χάλυβα, με τη βοήθεια της κυκλικής βολταμετρίας και στη συνέχεια τοποθετείται στο αυτόκλειστο αντιδραστήρα με 45 mL δισαπεσταγμένου νερού και αφήνεται να αντιδράσει σε υδροθερμικές συνθήκες (200 °C). Τέλος παραλαμβάνεται το δοκίμιο και παρατηρείται ότι η επικάλυψη Zn έχει χάσει τη μεταλλική της λάμψη, και έχει πάρει ένα λευκό χρώμα, ένδειξη σχηματισμoύ ZnO. Με βάση τα ακτινοδιαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ το προϊόν που παράχθηκε ταυτοποιήθηκε ως ZnO. Διαπιστώθηκε επίσης ότι το σύστημα κρυστάλλωσης του είναι το εξαγωνικό μεγίστης πυκνότητας τύπου βουρτσίτη (wurtzite). Οι διαστάσεις της μοναδιαίας κυψελίδας που υπολογίστηκαν σε κάθε περίπτωση για το εξαγωνικό σύστημα, a=3.2 Å και c=5.2 Å, είναι συγκρίσιμες με αυτές της βιβλιογραφίας. Το μέσο μέγεθος των κρυστάλλων που υπολογίστηκαν για τις περιπτώσεις 2Z-1:16-4, 5Z-1:8-7, 9Z-1:8-4 και 1Μ-1:5-24 είναι αντίστοιχα 45 nm, 24 nm, 21 nm και 18.1nm. Επιπλέον, το κάθε προϊόν χαρακτηρίστηκε με τη μέθοδο της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) όπου διαπιστώθηκε η μορφολογία του. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι τα υλικά αποτελούνται από καλοσχηματισμένες και ευδιάκριτες ράβδους, οι οποίες είναι συνενωμένες μεταξύ τους προς σχηματισμό «λουλουδιών», ή αποτελούνται από πολύ λεπτές ράβδους / whiskers, οι οποίες είναι συνενωμένες μεταξύ τους διαμορφώνοντας μη διακριτούς σχηματισμούς ή σχηματισμούς ‘αχινών – κουβαριών’. Επίσης, στην επιφάνεια του ανοξείδωτου χάλυβα έχουν αναπτυχθεί πολυάριθμες ράβδοι, είτε μεμονωμένες, είτε ενωμένες σε σχηματισμούς ‘λουλουδιών’. Διακρίνονται και κόκκοι επικαλυμμένοι από ράβδους. Η όλη επικάλυψη στον ανοξείδωτο χάλυβα δεν χαρακτηρίζεται ομοιόμορφη και οι ράβδοι δεν είναι προσανατολισμένες. Τα φάσματα απορρόφησης UV των νανοδομών δείχνουν ισχυρή κορυφή απορρόφησης με υποχρωμική μετατόπιση ή μπλε μετατόπιση (hypochromic shift, blue shift). Η εμφάνιση της απότομης excitonic κορυφής σε όλα αυτά τα δείγματα, δείχνει την υψηλή κρυσταλλική ποιότητα των νανοδομών ZnO. Η διάμετρος D των σωματιδίων που υπολογίστηκαν για τις περιπτώσεις 2Z-1:16-4, 5Z-1:8-7, 9Z-1:8-4 και 1Μ-1:5-24 είναι αντίστοιχα 22 nm, 20 nm, 22 nm και 20 nm. Όσον αφορά τις ηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών, στο σκοτάδι μόνο τα υλικά 2Ζ-1:16-4 και 9Z-1:8-4 (τα οποία αποτελούνται από ράβδους συνενωμένες σε σχηματισμούς λουλουδιών) εμφανίζουν ανορθωτική συμπεριφορά. Στο φως, το υλικό 2Ζ-1:16-4 εμφάνισε ίδια συμπεριφορά με τη συμπεριφορά του στο σκοτάδι. Το υλικό αυτό δεν είναι φωτοευαίσθητο αφού η διαφορά ορθής και ανάστροφης πόλωσης στο φως δεν εμφανίζει μεγάλη διαφορά τάξη μεγέθους και για το λόγο αυτό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως έχει ως ημιαγωγός τύπου p στα φωτοβολταϊκά κελία. Εμφανίζει όμως συμπεριφορά μπαταρίας όταν πολωθεί εξωτερικά (με ηλεκτρική διέγερση). Η μορφολογία των υλικών δείχνει να επηρεάζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες τους και έτσι τα υλικά που αποτελούνται κυρίως από αποτελούνται από πολύ λεπτές ράβδους / whiskers, διαμορφώνοντας μη διακριτούς σχηματισμούς ή σχηματισμούς ‘αχινών – κουβαριών’ δεν εμφανίζουν ίδια απόκριση (ανορθωτική συμπεριφορά) με το υλικό που αποτελείται από ράβδους συνενωμένες σε σχηματισμούς λουλουδιών.