CdSe Thin Film Photoelectrochemical Electrodes:Combined Electrochemical and Chemical Bath Depositions
Date
2014
Authors
Nour Nayef Abdul-Rahman
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
CdSe thin films have been deposited onto FTO/glass substrates by three different techniques, electrochemical deposition (ECD), chemical bath deposition (CBD) and combined method based on electrochemical deposition (ECD) followed by chemical bath deposition (CBD). The films were comparatively characterized by a number of techniques (photoluminescence spectra, electronic absorption spectra and XRD measurements). Photoelectrochemical (PEC) characteristics of the electrodes including current density-voltage (J-V) plots, conversion efficiency (ƞ) and fill factor (FF) were then studies. The PEC measurements indicate that the CdSe films are n-type in electrical conduction, and optical absorption measurements show that the band gap
range for the prepared films is estimated to be 2.06-2.30 eV. XRD results show that the three systems involved nano-sized CdSe particles with cubic type crystals. The new ECD/CBD-CdSe electrode exhibited higher photo-electrochemical conversion efficiency (ƞ% ̴ 4.40) than either ECD- or CBD-CdSe film electrodes. This supports the basic hypothesis of this work where the ECD/CBD film is assumed to combine the advantages of both ECD-CdSe film (good adherence to FTO/glass substrate) and CBD-CdSe film (suitable film thickness) together.
Various parameters were studied here, in order to enhance both ECD- and ECD/CBD thin film electrodes, including: Deposition times, annealing temperatures, cooling rate control and covering the prepared films with electro-active matrix of tetra (-4-pyridyl) porpyrinatomanganese (III/II) sulfate embedded inside polysiloxane films (MnPyP/Polysil) matrices, followed by additional heating of the coated films at 120ºC. CBD-CdSe films enhancement was investigated in an earlier study [18]. Annealing is undesirable in this study, since heating may increase the kinetic energy of the particles and may thus increase their disorder and arrange them in a random manner. On the other hand, lower annealing temperature (150 ºC) gave higher PL intensity, clearer electronic absorption, better PEC characteristics and higher crystallinity than 350 ºC annealing temperature.
Higher annealing temperatures increased the possibility of the film distortion and Se evaporation from the film. Cooling rate (slow or fast cooling) also affected films characteristics (XRD, PL and electronic absorption spectra, photo J-V plots).
Covering the films with MP-Sil matrix followed by additional heating of the coated films at 120ºC enhanced PL and electronic absorption spectra, photo J-V plots, conversion efficiency and fill factor. MP-Sil matrix coating seems to behave as a charge transfer catalyst at the solid/liquid interface and to protect the film from oxidation.
تم تحضير أفلام CdSe الرقيقة النانوية على شرائح زجاجية مغطاة بطبقة رقيقة موصلة شفافة من أكسيد القصدير المزود بالفلورFTO بطريقة الترسيب الكهربيECD والترسيب الكيميائي CBD وتم ايضا الجمع بين الطريقتين ECD\CBD. كما تمت المقارنة بين الأفلام المحضرة بالطرق المحتلفة و دراسة خصائصها باستخدام طرق مختلفة منها : أطياف انحراف أشعة اكس (XRD), أطياف الوميض (photoluminescence spectra) وأطياف الامتصاص ((electronic absorption spectra , ثم تم دراسة كفاءة الأفلام المحضرة في تحويل الضوء الى كهرباء بالطريقة الفوتوكهروكيميائية, حيث بنيت هذه الدراسة على اساس عدة عوامل مثل: منحنيات كثافة تيار الظلمة (dark J-V plots) مقابل الجهد, منحنيات كثافة تيار الاضاءة (Photo J-V plots), مقابل الجهد, كثافة تيار الدارة القصيرة (Jsc), جهد الدارة المفتوح (Voc) وكفاءه الخلية في تحويل الضوء الى كهرباء (percent conversion efficiency). أظهرت الدراسة الفوتوكهروكيميائية للأفلام المحضرة بالطرق المختلفة سلوكا ومسارات مختلفة. حيث وجد أن الخلية الفوتوكهروكيميائية للأفلام المحضرة بطريقة الجمع أعلى كفاءة من خلية الافلام المحضرة بطريقتي الترسيب الكهربي والترسيب الكيميائي. علاوة على ما سبق, تم دراسة تاثير عوامل متعددة على كفاءة الأفلام المحضرة بطريقتي الترسيب الكهربي وطريقه الجمع بين االترسيب الكهربي والكيميائي, وذلك استكمالا لدراسة اجريت سابقا على أفلام CdSe حضرت بطريقة الترسيب الكيميائي [18] وتشمل هذه العوامل: تأثير زمن الترسيب, تأثير تسخين الأفلام المحضرة, تأثير طريقة تبريد الأفلام (تبريد بطيء او سريع) وتأثير طلاء سطوح أفلام CdSe بمادة MP-Sil)). وجد أن الأفلام غير المشوية أكثر كفاءة في تحويل الضوء الى كهرباء مقارنة بتظائرها المشوية, في حين أن الافلام المشوية على درجة حرارة منحفضه (150درجة مئوية) أعلى كفاءة في تحويل الضوء الى كهرباء من الأفلام المشوية على درجة حرارة عالية(350 درجة مئوية), كما قد أثرت طريقة تبريد الأفلام (تبريد بطيء او سريع) في الخصائص الفوتوكهروكيميائية والفيزيائية للأفلام. وقد خرجت هذه الدراسة بنتيجة مفادها أن طلاء سطوح أفلام CdSe بمادة (MP-Sil) تحسن من كفاءة الالكترود المحضر في عمليات التحويل الضوئي الي تيار كهربائي.
تم تحضير أفلام CdSe الرقيقة النانوية على شرائح زجاجية مغطاة بطبقة رقيقة موصلة شفافة من أكسيد القصدير المزود بالفلورFTO بطريقة الترسيب الكهربيECD والترسيب الكيميائي CBD وتم ايضا الجمع بين الطريقتين ECD\CBD. كما تمت المقارنة بين الأفلام المحضرة بالطرق المحتلفة و دراسة خصائصها باستخدام طرق مختلفة منها : أطياف انحراف أشعة اكس (XRD), أطياف الوميض (photoluminescence spectra) وأطياف الامتصاص ((electronic absorption spectra , ثم تم دراسة كفاءة الأفلام المحضرة في تحويل الضوء الى كهرباء بالطريقة الفوتوكهروكيميائية, حيث بنيت هذه الدراسة على اساس عدة عوامل مثل: منحنيات كثافة تيار الظلمة (dark J-V plots) مقابل الجهد, منحنيات كثافة تيار الاضاءة (Photo J-V plots), مقابل الجهد, كثافة تيار الدارة القصيرة (Jsc), جهد الدارة المفتوح (Voc) وكفاءه الخلية في تحويل الضوء الى كهرباء (percent conversion efficiency). أظهرت الدراسة الفوتوكهروكيميائية للأفلام المحضرة بالطرق المختلفة سلوكا ومسارات مختلفة. حيث وجد أن الخلية الفوتوكهروكيميائية للأفلام المحضرة بطريقة الجمع أعلى كفاءة من خلية الافلام المحضرة بطريقتي الترسيب الكهربي والترسيب الكيميائي. علاوة على ما سبق, تم دراسة تاثير عوامل متعددة على كفاءة الأفلام المحضرة بطريقتي الترسيب الكهربي وطريقه الجمع بين االترسيب الكهربي والكيميائي, وذلك استكمالا لدراسة اجريت سابقا على أفلام CdSe حضرت بطريقة الترسيب الكيميائي [18] وتشمل هذه العوامل: تأثير زمن الترسيب, تأثير تسخين الأفلام المحضرة, تأثير طريقة تبريد الأفلام (تبريد بطيء او سريع) وتأثير طلاء سطوح أفلام CdSe بمادة MP-Sil)). وجد أن الأفلام غير المشوية أكثر كفاءة في تحويل الضوء الى كهرباء مقارنة بتظائرها المشوية, في حين أن الافلام المشوية على درجة حرارة منحفضه (150درجة مئوية) أعلى كفاءة في تحويل الضوء الى كهرباء من الأفلام المشوية على درجة حرارة عالية(350 درجة مئوية), كما قد أثرت طريقة تبريد الأفلام (تبريد بطيء او سريع) في الخصائص الفوتوكهروكيميائية والفيزيائية للأفلام. وقد خرجت هذه الدراسة بنتيجة مفادها أن طلاء سطوح أفلام CdSe بمادة (MP-Sil) تحسن من كفاءة الالكترود المحضر في عمليات التحويل الضوئي الي تيار كهربائي.