Spectrally- Selective Multilayer SnO2/Ag/SnO2 for Renewable Energy Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis) Manal-MSThesisD.pdf Restricted to Repository staff only until 21 July 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

يُعد استهلاك الطاقة على مستوى العالم من العوامل المؤثرة بشكل كبير على كوكب الأرض، حيث تُعد المباني من أكبر المستهلكين للطاقة نتيجة احتياجات التدفئة والتبريد والإضاءة. وعلى الرغم من قدرة زجاج المباني على السماح بمرور ضوء الشمس وبالتالي تقليل الطاقة المستهلكة في الإضاءة، إلا أنه لا يعد عازلاً حرارياً فعالاً. ولمعالجة ذلك، تُستخدم الطلاءات متعددة الطبقات ذات الانبعاثية المنخفضة على الزجاج لتكوين نوافذ انتقائية طيفياً موفرة للطاقة، مما يُسهم في تقليل استهلاك الطاقة في المباني. في هذه الدراسة تم تصنيع أغشية رقيقة متعددة الطبقات مكونة من SnO2/Ag/SnO2 باستخدام عملية الترسيب المتسلسلة بواسطة التبخير الحراري لأكسيد القصدير (SnO2) والتبخير بشعاع الإلكترون للفضة (Ag) على ركيزة زجاجية في درجة حرارة الغرفة. تم تصميم هذه الأغشية لتعمل كأقطاب شفافة موصلة (Transparent Conductive Electrode TCE)، حيث توفر شفافية بصرية وتوصيلاً كهربائياً عالياً، وأيضا كمرآة حرارية شفافة (Transparent Heat Mirror THM)، تعكس الأشعة تحت الحمراء مع السماح بمرور الضوء المرئي، وهما تطبيقان غالباً ما يتم دراستهما بشكل منفصل. ولذلك، فإن خصائص الأغشية المتكونة (الشفافية العالية في الضوء المرئي، والمقاومية المنخفضة، الانعكاسية المقبولة للأشعة تحت الحمراء) مناسبة لتطبيقات توفير الطاقة. ولتحسين النفاذية البصرية في نطاق الضوء المرئي، تم اعتماد ترسيب تفاعلي بوجود غاز الأكسجين خلال عملية نمو طبقات أكسيد القصدير، بالرغم من استخدام مادة أكسيد المعدن كمصدر. لذلك، تم دراسة تأثير ظروف ترسيب SnO2 على خصائص الفيلم. علاوة على ذلك، وبما أن انعكاسية الأشعة تحت الحمراء يمكن التحكم بها من خلال سمك طبقة الفضة المنصفة، فقد تم ترسيب أغشية بسماكات مختلفة للفضة، في حين تم الحفاظ على سمك وتركيب متماثل لطبقات أكسيد القصدير. تم استخدام عدة تقنيات تحليلية مثل مجهر القوة الذرية، وحيود الأشعة السينية، والتحليل الطيفي للإلكترونات المنبعثة بالأشعة السينية، وقياس جهد السطح، وتأثير هول، والمطيافية الضوئية لتقييم تأثير المعاملات المدروسة على الخصائص الهيكلية والكيميائية والكهربائية والبصرية للأغشية ثلاثية الطبقات، بالإضافة إلى الأغشية أحادية الطبقة. كما تم إجراء اختبار لخصائص العزل الحراري للأغشية متعددة الطبقات ميدانيا بعد الاختبارات المعملية، حيث أظهرت النتائج انخفاض في درجة الحرارة وصل إلى 8 درجات مئوية كحد أقصى. ولتقييم أداء الأغشية ثلاثية الطبقات بشكل إضافي، تم حساب معاملات الجودة figure of merit coefficients (FOM) للتطبيقات المرغوبة، حيث أشارت النتائج إلى أن الأغشية ذات سمك 10 نانومتر( nm) لطبقة الفضة أظهرت أعلى قيمة لمعامل الجودة لتطبيقات الأقطاب الشفافة الموصلة FOM-TCE‎، تليها أغشية ذات سمك 15 nm لطبقة الفضة، وقد تم ترسيب كلاهما في بيئة تحتوي على الأكسجين، مما يدل على فعالية بيئة الأكسجين أثناء عملية الترسيب. أما بالنسبة لمعامل الجودة لتطبيقات المرايا الحرارية الشفافة FOM-THM ، فقد سجلت الأغشية ذات سمك 15 nm لطبقة الفضة والتي ترسبت في غياب الأكسجين أعلى قيمة تليها تلك التي ترسبت في وجود الأكسجين. وبالتالي، فإن الأغشية الرقيقة متعددة الطبقات SnO_2/Ag (15 nm)/SnO_2تمتلك أفضل الإمكانيات للعمل كـأقطاب شفافة موصلة وكمرآة حرارية شفافة في آن واحد، وقد سجلت انخفاض ملحوظ في درجة الحرارة، مما يثبت فعاليتها في تطبيقات كفاءة الطاقة. وقد تم تأكيد صحة هذه النتائج من خلال محاكاة نظرية.

English Abstract

Worldwide energy consumption significantly impacts our planet, with buildings being one of the largest energy consumers due to heating, cooling, and lighting needs. Despite its ability to let in sunlight, architectural glass is not a very effective heat insulator. To address this, low-emissivity multilayer coatings are applied to glass to create spectrally selective energy-efficient windows, reducing building energy consumption. The multilayer thin films made of SnO_2/Ag/SnO_2 were fabricated using sequential thermal evaporation of SnO_2 and electron beam evaporation of Ag on a glass substrate at room temperature. The thin films were designed to function as transparent conductive electrode TCE, offering optical transparency and high electrical conductivity, as well as transparent heat mirror THM, reflecting infrared radiation while allowing visible light transmission, two applications that usually have been investigated separately. Hence, the properties of the deposited films (high visible transparency, low resistivity, and reasonable infrared reflectivity) are suitable for energy-saving applications. To enhance the optical visible transmittance, a reactive deposition was adopted during the growth process of tin oxide layers, although using a metal oxide source material. Therefore, the influence of the deposition conditions of SnO_2 on film properties was investigated. Nevertheless, as the IR-reflectance can be controlled by the thickness of the intermediate metallic Ag layer, films with different Ag thicknesses, while SnO_2-layers have fixed thickness and symmetric structure, were deposited. Several analytical techniques, such as AFM, XRD, XPS, KPS, Hall effect, and spectrophotometry, were used to evaluate the impact of the studied parameters on the structural, chemical, electrical, and optical properties of tri-layer films along with single-layer films. A field test for the heat shielding properties of the developed multilayer films was conducted after the laboratory examinations, resulting in a maximum temperature reduction of 8 (_ ^o)C. To further evaluate the performance of the tri-layer structured films, figure of merit coefficients (FOM) for TCE and THM applications were calculated. The results indicated the films with Ag thickness of 10 nm had the maximum FOM-TCE of 41.1×10^(-4) Ω^(-1), followed by that of Ag-15 nm thickness of 37.8×10^(-4) Ω^(-1), both deposited in the environment of O_2, indicating the effectiveness of the oxygen environment during the deposition process of a metal oxide layer. Moreover, for FOM-THM the films with an Ag thickness of 15 nm had maximum values of 13.211 and 11.026 when deposited in the environment of absence and presence of O_2, respectively. Therefore, the multilayer thin films of SnO_2/Ag (15nm)/SnO_2 had the best potential to function as TCE and THM simultaneously with considerable temperature reduction, proving its suitability in energy-efficient applications. The validity of this result was further confirmed through complementary theoretical simulations.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Farahat, Ashraf
Committee Members:	Al-Kuhaili, Mohammad and Al-Basheer, Watheq
Depositing User:	MANAL ALZAHRANI (g202213200)
Date Deposited:	22 Jul 2025 07:10
Last Modified:	22 Jul 2025 07:10
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143619