CdS Thin Film Photo-Electrochemical Electrodes: Combined Electrochemical and Chemical Bath Depositions
Date
2011
Authors
Sahar Mustafa Asad Khudruj
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Nano-sized CdS films were deposited onto FTO/glass substrates by different techniques, namely: electrochemical (EC), chemical bath (CB) and electrochemical followed by chemical bath (EC/CB) deposition techniques. The latter technique is examined here for the first time. Scanning electron microscopy (SEM), X-Ray diffraction (XRD), photoluminescence spectra (PL) and electronic absorption spectra were studied for different films. Photo-electrochemical (PEC) characteristics of different films, such as photo (J-V) plots, dark (J-V) plots, conversion efficiency and stability, were all investigated.
Films prepared by different methods showed different SEM images. Electronic absorption spectra for different films were not much different except in PL intensity values.
PEC characteristics for different films showed different behaviors. The EC/CBD films showed higher light-to-electricity conversion efficiency than EC films, but lower efficiency than CBD counterparts. Moreover, the EC/CBD films showed higher values of JSC with time, than either EC or CBD counterparts, which gives an idea about the advantage of the new described films.
The deposited films were modified by annealing at 250oC under N2. Cooling of pre-heated films to room temperature was performed by a gradual slow process. The effect of annealing & slow cooling on film characteristics, such as XRD, SEM, PL, electronic absorption spectra were all measured for different films. Photo-electrochemical characteristics of different films, such as: open-circuit voltage (Voc), current density (Jsc), photo (J-V) plots, efficiency and stability, were studied. Films treated by annealing & slow cooling showed higher conversion efficiency than their un-treated counterparts.
SEM images showed that annealing increased the grain size of CdS nano particle in cases of CBD, EC and EC/CBD. XRD measurements showed that annealing lowered the crystallite size for EC-CdS films, whereas annealing enhanced the crystallite size for both CBD-CdS and EC/CBD-CdS films. Photoluminescence spectra were not affected by annealing except in PL intensity values.
In each prepared CdS film, annealing enhanced PEC characteristics, by increasing conversion efficiency and stability. On the other hand, the annealed EC/CBD showed higher conversion efficiency and stability than either the annealed EC or CBD films.
On the other hand, the higher conversion efficiency of both annealed CBD-CdS and EC/CBD-CdS films than non-annealed counterparts coincided with SEM topography, XRD spectra and PL intensity results. XRD patterns showed enhancement in crystallite size for both annealed CBD-CdS and EC/CBD-CdS films. SEM images showed homogenized layers with more ordered and uniformly packed coagulates for annealed films. In addition, PL spectra for annealed films exhibited higher emission values than non-annealed films. This is because annealing enhances the particle characteristics, giving more uniform and compact surface and consequently higher PL intensity.
The results indicate that the new CdS nano-films, prepared by EC/CBD technique, are advantageous over other earlier known types.
تم تحضير أفلام CdS الرقيقة النانوية على شرائح من الزجاج الموصل (FTO/coated) باستخدام طرق مختلفة منها الترسيب الكهروكيميائي (EC) والترسيب الكيميائي (CBD) ثم طريقة الجمع بين الطريقتين سابقتي الذكر، حيث يتم استخدام الطريقة الأخيرة للمرة الأولى في عملية التحضير. كما تم دراسة خصائص الأفلام المحضرة باستخدام طرق مختلفة منها أطياف انحراف أشعة إكس (X-Ray diffraction) وأطياف الامتصاص (electronic absorption spectra) وأطياف الوميض (PL spectra) والمجهر الالكتروني الماسح (SEM). أظهرت نتائج التصوير بواسطة المجهر الالكتروني الماسح صورا مختلفة للأفلام المحضرة. بينما أثبتت اطياف الامتصاص انه لا يوجد اختلاف كبير بين الافلام المحضرة. أما أطياف الوميض فقد أظهرت أنماطا متماثلة للأفلام المحضرة بالطرق المختلفة. لقد تم دراسة خصائص كافة الأفلام المحضرة في تحويل الضوء الى كهرباء بالطريقة الفوتوكهروكيميائية، وقد بنيت هذه الدراسة على أساس قياس عدة عوامل مثل منحنيات كثافة تيار الظلمة ((dark current density مقابل الجهد، منحنيات كثافة تيار الإضاءة (photo current density) مقابل الجهد، كثافة تيارات الدارة القصيرة (short circuit current density)، جهد الدارة المفتوح (open circuit voltage)، كفاءة الخلية في تحويل الضوء إلى كهرباء (conversion efficiency). وتمت هذه الدراسات بالتوازي مع دراسة نتائج التصوير بواسطة الماسح الميكروسكوبي الإلكتروني (scanning electron microscopy) ومطياف اشعة اكس للأفلام المحضرة. هذا وقد أظهرت الدراسة الفوتوكهروكيميائية للأفلام المحضرة بالطرق المختلفة سلوكا ومسارات مختلفة، حيث وجد أن الخلية الفوتوكهروكيميائية للأفلام المحضرة بطريقة الجمع أعلى كفاءة من خلية الأفلام المحضرة بطريقة الترسيب الكهروكيميائي، وأقل من خلية الأفلام المحضرة بطريقة الترسيب الكيميائي. وقد حققت الافلام المحضرة بطريقة الجمع أكثر ثباتية في مقاومة التحطم الضوئي مع الزمن مقارنة بنظيرتيها المحضرتين بطريقة الترسيب الكيميائي والترسيب الكهروكيميائي. علاوة على ما سبق، تم دراسة تأثير الشيٍ (التسخين) عند درجة حرارة 250 مئوية وعملية التبريد البطئ على خصائص الأفلام المحضرة، وقد وجد أن الأفلام المشوية أفضل كفاءة في تحويل الضوء إلى كهرباء مقارنة بنظائرها غير المشوية. في حين أظهرت نتائج التصوير بواسطة المجهر الالكتروني الماسح أن عملية الشي قد زادت حجم حبيبات كبريتيد الكادميوم (nano-particles) للأفلام المحضرة. أما نتائج انحراف أشعة إكس فقد أظهرت أن عملية الشي تقلل من حجم البلورية للافلام الكهروكيميائية وتزيد من حجم البلورية للافلام المرسبة كيميائيا و الافلام المحضرة بطريقة الجمع. أما نتائج أطياف الامتصاص وقياس الوميض فقد أظهرت عدم تأثر طول موجة الامتصاص أوالانبعاث الافلام بعملية الشي على االترتيب. على صعيد آخر، وجد أن الشي قد حسن منحنيات تيار الإضاءة مقابل الجهد لأفلام كبريتيد الكادميوم الرقيقة المحضرة بطريقة الجمع في الأنظمة الفوتوكهروكيميائية بطريقة أفضل مقارنة بنظيرتيها المحضرتين بطريقة الترسيب الكيميائي والكهروكيميائي حيث وجد أن الخلية الفوتوكهروكيميائية للأفلام المشوية المحضرة بطريقة الجمع أفضل كفاءة في تحويل الضوء إلى كهرباء مقارنة بنظيرتيها المحضرتين بطريقة الترسيب الكيميائي والكهروكيميائي وأكثر ثباتية في مقاومة التحطم الضوئي مع الزمن.
تم تحضير أفلام CdS الرقيقة النانوية على شرائح من الزجاج الموصل (FTO/coated) باستخدام طرق مختلفة منها الترسيب الكهروكيميائي (EC) والترسيب الكيميائي (CBD) ثم طريقة الجمع بين الطريقتين سابقتي الذكر، حيث يتم استخدام الطريقة الأخيرة للمرة الأولى في عملية التحضير. كما تم دراسة خصائص الأفلام المحضرة باستخدام طرق مختلفة منها أطياف انحراف أشعة إكس (X-Ray diffraction) وأطياف الامتصاص (electronic absorption spectra) وأطياف الوميض (PL spectra) والمجهر الالكتروني الماسح (SEM). أظهرت نتائج التصوير بواسطة المجهر الالكتروني الماسح صورا مختلفة للأفلام المحضرة. بينما أثبتت اطياف الامتصاص انه لا يوجد اختلاف كبير بين الافلام المحضرة. أما أطياف الوميض فقد أظهرت أنماطا متماثلة للأفلام المحضرة بالطرق المختلفة. لقد تم دراسة خصائص كافة الأفلام المحضرة في تحويل الضوء الى كهرباء بالطريقة الفوتوكهروكيميائية، وقد بنيت هذه الدراسة على أساس قياس عدة عوامل مثل منحنيات كثافة تيار الظلمة ((dark current density مقابل الجهد، منحنيات كثافة تيار الإضاءة (photo current density) مقابل الجهد، كثافة تيارات الدارة القصيرة (short circuit current density)، جهد الدارة المفتوح (open circuit voltage)، كفاءة الخلية في تحويل الضوء إلى كهرباء (conversion efficiency). وتمت هذه الدراسات بالتوازي مع دراسة نتائج التصوير بواسطة الماسح الميكروسكوبي الإلكتروني (scanning electron microscopy) ومطياف اشعة اكس للأفلام المحضرة. هذا وقد أظهرت الدراسة الفوتوكهروكيميائية للأفلام المحضرة بالطرق المختلفة سلوكا ومسارات مختلفة، حيث وجد أن الخلية الفوتوكهروكيميائية للأفلام المحضرة بطريقة الجمع أعلى كفاءة من خلية الأفلام المحضرة بطريقة الترسيب الكهروكيميائي، وأقل من خلية الأفلام المحضرة بطريقة الترسيب الكيميائي. وقد حققت الافلام المحضرة بطريقة الجمع أكثر ثباتية في مقاومة التحطم الضوئي مع الزمن مقارنة بنظيرتيها المحضرتين بطريقة الترسيب الكيميائي والترسيب الكهروكيميائي. علاوة على ما سبق، تم دراسة تأثير الشيٍ (التسخين) عند درجة حرارة 250 مئوية وعملية التبريد البطئ على خصائص الأفلام المحضرة، وقد وجد أن الأفلام المشوية أفضل كفاءة في تحويل الضوء إلى كهرباء مقارنة بنظائرها غير المشوية. في حين أظهرت نتائج التصوير بواسطة المجهر الالكتروني الماسح أن عملية الشي قد زادت حجم حبيبات كبريتيد الكادميوم (nano-particles) للأفلام المحضرة. أما نتائج انحراف أشعة إكس فقد أظهرت أن عملية الشي تقلل من حجم البلورية للافلام الكهروكيميائية وتزيد من حجم البلورية للافلام المرسبة كيميائيا و الافلام المحضرة بطريقة الجمع. أما نتائج أطياف الامتصاص وقياس الوميض فقد أظهرت عدم تأثر طول موجة الامتصاص أوالانبعاث الافلام بعملية الشي على االترتيب. على صعيد آخر، وجد أن الشي قد حسن منحنيات تيار الإضاءة مقابل الجهد لأفلام كبريتيد الكادميوم الرقيقة المحضرة بطريقة الجمع في الأنظمة الفوتوكهروكيميائية بطريقة أفضل مقارنة بنظيرتيها المحضرتين بطريقة الترسيب الكيميائي والكهروكيميائي حيث وجد أن الخلية الفوتوكهروكيميائية للأفلام المشوية المحضرة بطريقة الجمع أفضل كفاءة في تحويل الضوء إلى كهرباء مقارنة بنظيرتيها المحضرتين بطريقة الترسيب الكيميائي والكهروكيميائي وأكثر ثباتية في مقاومة التحطم الضوئي مع الزمن.