Band Gap Engineering of Metal Oxide (WO3, MoO3) Thin Films through Alloying with Cadmium Telluride. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF PhD_Dissertation_Phys_Dec_2016.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

هذه الدراسة معنيه بتطوير تقنية لإنتاج أغشية رقيقة بالاعتماد على التبخير الحراري بغرض هندسة طاقة الفجوة لبعض من أكاسيد المعادن شبه الموصلة بالتحديد أكسيد التنجستن وأكسيد الموليبدينوم عن طريق إشابتهما بشبه موصل - ينتمي إلى المجموعة الثانية والسادسة في الجدول الدوري- ذو طاقة فجوة ضيقة يسمى بتيلوريد الكادميوم. في هذه الدراسة تم توظيف تقنية التبخير الحراري – و التي تعتبر واحدة من أسهل الطرق لترسيب الأغشية الرقيقة – لهندسة فجوات الطاقة لأغشية رقيقة من أكسيد التنجستن وأكسيد الموليبدينوم على مدى واسع وذلك بخلط تراكيز محددة من تيلوريد الكادميوم مع كل منهما. الجديد في هذه التقنية يتمثل في سهولة هندسة فجوات الطاقة لهذه الأكاسيد والتي نتطلب فقط تبخير مسحوق خليط من كل أكسيد مع تيلوريد الكادميوم حيث يتم التحكم بتراكيز تيلوريد الكادميوم للحصول على قيم مختلفة لفجوة الطاقة لهذه الأكاسيد. لقد حاولت هذه الدراسة إتاحة الفرصة لتعديل أو هندسة فجوات الطاقة الواسعة لأكاسيد المعادن (شبه الموصلة) الأخرى من خلال خلطهم مع مركبات مختلفة ذات فجوات طاقة ضيقة. أولا تم دراسة تأثير تراكيز مختلفة من تيلوريد الكادميوم (5٪, 10٪، 15٪, 20٪، 25٪) على فجوة الطاقة لأغشية رقيقة من أكسيد التنجستن. ثانيا تم دراسة تأثير تراكيز أخرى من تيلوريد الكادميوم (2٪, 4٪، 6٪, 8٪، 10٪) على فجوة الطاقة لأغشية رقيقة من أكسيد الموليبدينوم. الخواص البنيوية للأغشيه الرقيقه المصنعة تم فحصها باستخدام جهاز حيود الأشعة السينية بينما الخواص الشكلية فحصت باستخدام مجهر القوة الذرية. التحليل الكيميائي للأغشيه الرقيقه المصنعة تم إجراؤه باستخدام جهاز مطياف الأشعة السينية الالكتروضوئي أما القياسات البصرية فقد أجريت باستخدام المقياس الطيفي. إضافة إلى ذلك تم فحص إمكانية استخدام هذه الأغشية الرقيقة بعد هندسة (تعديل) فجوات طاقاتها في تطبيقات الطاقة الشمسية والخلايا الكهروكيمياضوئيه من خلال إجراء قياسات التيار الكهروضوئي بإستخدام جهاز (Potentiostat) للتأكد من مدى قدرتها على تحويل الطاقة الضوئيه إلى طاقة كهربائية. التحاليل البنيوية أثبتت أن الأغشية الرقيقة المصنعة من أكسيد التنجستن و أكسيد الموليبدينوم كانت غير متبلوره (بلا شكل منتظم) بينما الأغشية الرقيقة المصنعة من تيلوريد الكادميوم كانت تمتلك الشكل البلوري.إضافة إلى ذلك فإن إضافة تراكيز مختلفة من تيلوريد الكادميوم إلى أكسيد التنجستن و أكسيد الموليبدينوم لم يحسن من الشكل البلوري لكل منهما. أظهرت التحاليل الشكلية زيادة في خشونة أسطح هذه الأغشية الرقيقة مع زيادة تركيز تيلوريد الكادميوم. أما التحاليل البصرية فقد أثبتت أن نفاذية الضوء في أفلام أكسيد التنجستن و أكسيد الموليبدينوم المخلوطة مع تيلوريد الكادميوم تناقصت مع زيادة تركيزالأخير وهذا يعود لزيادة الإمتصاص في هذه الأغشية الرقيقة نتيجة لزيادة تركيز مع تيلوريد الكادميوم. إضافة إلى ذلك لوحظت زياده عالية في معامل إمتصاص الضوء لهذه الأغشية الرقيقة مع زيادة تركيز تيلوريد الكادميوم نتيجة لقدرتة العالية على الإمتصاص. كذلك فجوة الطاقة في الأغشية الرقيقة المصنعة من أكسيد التنجستن حصل لها إزاحة ملحوظة باتجاه الطول الموجي الأحمر (أي تناقصت) خلال خلطها مع تيلوريد الكادميوم. قيم فجوة الطاقة لهذه الأغشية الرقيقة انخفضت من 3.30 إلكترون فولت عندما كان تركيز تيلوريدالكادميوم 0 ٪ إلى 2.47 إلكترون فولت عندما زاد تركيز تيلوريد الكادميوم إلى 25٪. و بالمثل، لوحظ أيضا إزاحة ملحوظة لفجوة الطاقة في الأغشية الرقيقة المصنعة من أكسيد الموليبدينوم باتجاه الطول الموجي الأحمر نتيجة الخلط مع تيلوريد الكادميوم. وقد انخفضت فجوة الطاقة في هذه الأغشية الرقيقة من 2.90 إلى 2.60 إلكترون فولت عندما زاد تركيز تيلوريد الكادميوم من 0٪ إلى 10٪، على التوالي. و تشيرهذه النتائج إلى أن الأغشية الرقيقة لأكسيد التنجستن وأكسيد الموليبدينوم المخلوطة مع تيلوريد الكادميوم يمكن توظيفها لإستغلال طاقة الضوء على مدى واسع في منطقة الطيف المرئي بدلا من الإقتصار على طاقة طول موجي واحد (المتوافق مع فجوة الطاقة لأكسيد التنجستن أوأكسيد الموليبدينوم), وبالتالي يمكن توظيفها في تطبيقات الطاقة الشمسية . وكشفت التحاليل الكيميائية أن الأغشية الرقيقة الغير مخلوطة مع تيلوريد الكادميوم عبارة عن مركبات من أكسيد التنجستن و الموليبدينوم (WO2.96 وMoO2.98) بينما تحليل عمق الأغشية الرقيقة المخلوطة مع تيلوريد الكادميوم أوضح أن المكونات (العناصر الكيميائية) موزعة بشكل غير متجانس على مدى عمق الأغشية الرقيقة المصنعة من أكسيد التنجستن المخلوط مع تيلوريد الكادميوم بينما كانت موزعة بشكل متجانس في الأغشية الرقيقة المصنعة من أكسيد الموليبدينوم المخلوط مع تيلوريد الكادميوم. علاوة على ذلك لم تكن النسبة الذرية (الوحدة) بين الكادميوم والتليورايد في تيلوريد الكادميوم محفوظة كذلك النسبة الذرية للأكسجين إلى التنجستن و الموليبدينوم في مركب أكسيد التنجستن وأكسيد الموليبدينوم (3 إلى 1) محفوظة. و يمكن أن تعزى مثل هذه النتيجة للتغير في الحالة الكيميائية بسبب تشعيع هذه الأغشية الرقيقة بأيونات الأرجون عند إجراء التحليل الكيميائي لطبقات (عمق) هذه الأغشية الرقيقة. أخيرا القياسات الكهربائية أظهرت زيادة كبيره في التيار الكهروضوئي للأغشية الرقيقة المصنعة من أكسيد التنجستن وأكسيد الموليبدينوم المخلوطة مع تيلوريد الكادميوم مع زيادة تركيز الأخير. هذه الزيادة في التيار ناتجة عن تعزيز إمتصاص الأطوال الموجية الطويلة من منطقة الضوء المرئي. وقد لوحظ أن أفضل أوأعلى قيمة لإستجابة التيار الكهروضوئي كانت في الأغشية الرقيقة المصنعة من أكسيد التنجستن المخلوطة مع نسبة 20٪ من تركيز تيلوريدالكادميوم. من ناحية أخرى, زادت إستجابة التيار الكهروضوئي باضطراد مع زيادة تركيز تيلوريدالكادميوم في الأغشية الرقيقة المصنعة من أكسيد الموليبدينوم المخلوطة مع تيلوريد الكادميوم. هذه النتائج التي تم التوصل إليها تدعم إمكانية توظيف هذه السبائك من الأغشية الرقيقة لتحسين كفاءة تحويل الضوء إلى تياركهربائي في الخلايا الشمسية والخلايا الكهروكيمياضوئية .

English Abstract

This study was concerned with the development of a synthesis technique based on thermal evaporation for engineering the band gap of some metal oxide semiconductors, namely tungsten oxide (WO3) and molybdenum oxide (MoO3) by alloying them with a narrow-band-gap II-VI semiconductor, specifically cadmium telluride (CdTe). In this study, thermal evaporation, which is considered to be one of the simplest methods for the deposition of thin films, was employed to fabricate widely-tuned band gaps of WO3 and MoO3 films by mixing them with specific concentrations of CdTe. The novelty of this technique was that the band gap engineering of these oxides required merely evaporation of a powder mixture of each oxide with controlled concentrations of CdTe. Such a study was attempted to provide the opportunity for tuning other wide band gap metal oxide semiconductors through mixing with different narrow band gap compounds. First, the influence of CdTe concentration of 5%, 10%, 15%, 20% and 25% on the band gap of WO3 thin films was studied. Second, the influence of CdTe concentration of 2%, 4%, 6%, 8% and 10% on the band gap of MoO3 thin films was investigated. X-ray diffraction showed that the obtained pure WO3 and MoO3 films had an amorphous structure, while CdTe thin films were polycrystalline. The addition of CdTe to WO3 and MoO3 did not improve their structures. However, at high CdTe concentrations, WO3 thin films still had an amorphous phase but the polycrystalinity of CdTe was decreased. The films showed an increase in the surface roughness with the increase in CdTe concentration as revealed by atomic force microscopy. Optical analysis based on transmittance measurements revealed that the band gap of WO3 thin film was significantly red-shifted due to alloying with CdTe. The band gap values of the fabricated films were found to decrease from 3.30 eV for pure WO3 to 2.47 eV at CdTe concentrations of 25%. Similarly, a remarkable red-shift in the band gap of MoO3 thin films through mixing with CdTe was observed. The band gap of the fabricated films was decreased from 2.90 to 2.60 eV as the CdTe concentration increased from 0% to 10%, respectively. The experimental variation of the band gap values with CdTe was described by the standard bowing quadratic equation for the whole range of CdTe concentration. The obtained results indicated that a wider portion of the visible spectrum can be harvested rather than only single wavelength, corresponding to the band gaps of pure WO3 or MoO3 thin films. Chemical analysis of pure WO3 and MoO3 films performed by X-ray photoelectron spectroscopy showed that a sub-stoichiometric WO2.96 and an almost stoichiometric MoO2.98 films were obtained. Depth profiling analysis of the films alloyed with CdTe confirmed a nonhomogeneous distribution of the constituents throughout the depth of the WO3 alloyed films. However, the constituents were homogeneously distributed throughout the thickness of the MoO3 alloyed films. Photocurrent measurements showed a significant increase in the photocurrent response of the CdTe-alloyed WO3 and the CdTe-alloyed MoO3 films with the increase of the CdTe concentration due to the enhancement of the light absorption in the long wavelength region. The obtained results support the potential of these alloyed films for improving the photo-to-current conversion efficiency in the photovoltaic and photoelectrochemical solar cell applications.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Al-Kuhaili, Mohammad
Committee Members:	Ziq, Khalil and Naqvi, Akhtar and Ul-Hamid, Anwar
Depositing User:	YAHYA ABDUL MAJEED (g200705050)
Date Deposited:	08 Aug 2017 11:07
Last Modified:	30 Dec 2020 12:05
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140431