مجلة أبحاث البصرة(العلميات) العدد الثاني والثالثون, الجزء الثالث - (00) استقرارية الصفات الضوي ية لاغشية CdS:Al المحضرة بطريقة الرش الكيمياي ي الحراري قسم الفيزياء - كلية العلوم /جامعة البصرة ISSN 87-95 الاستلام,00// القبول 00/ /9 الملخص درست الخواص الضوي ية للا غشيةAl CdS: المحضرة سابقا" بطريقة الرش الكيمياي ي الح ارري وبنسب وزنية مختلفة على قواعد من الزجاج في درجة ح اررة 9 0 K وبسمك يت اروح بين ].0-5.] مايكرومتر. حيث اجريت بعد مرور عشرة اعوام من تاريخ تحضيرها. تم حساب كل من معامل الامتصاص, فجوة الطاقة المباشرة وغير المباشرة كدالة لتركيز Alلهذه الاغشية. تبين من خلال د ارسة الصفات الضوي ية لهذه الاغشية با نها ذات استق اررية عالية مما يؤكد كفاءة الرش الكيمياي ي الح ارري في تحضير مثل هذه الاغشية. وان فجوة الطاقة تت اروح بين (.-.5) لمدى من التركيز wt% ) (0 -. المقدمة نظ ار لا همية اغشية CdS في مجالات الانتاج الصناعي, فقد اجريت د ارسات عديدة على هذه المادة وقد اظهرت هذه () () الد ارسات بان هذه المادة تمتلك مقاومة مناسبة للاستخدام في صناعة العديد من الاجهزة الفولتاي ية Photovoltaic-) () (devices. ولعل اهم تطبيق لاغشية CdS هو استخدامها في صناعة الخلايا الشمسية cells) (Solar بسبب نفاذيتها العالية للاشعاع الشمسي وانعكاسيتها القليلة, ولها اهمية كبيرة في الصناعات الالكترونية () مثل الثناي يات البلورية diods) (junction والمقاومات الضوي ية (photo-resistance) فقد حضرت بطرق عديدة منها طريقة التبخير تحت الضغط الواطيء METHODE) (EVAPORATION, طريقة الترذيذ ) SPUTTERING,(METHOD طريقة الترسيب الكيمياي ي DEPOSITION),(CHEMICAL VAPOUR وطريقة الرش الكيمياي ي الح ارري TEQNIQUE) (SPRAY PYROLYSIS التي يمكن استخدامها لتحضير اغشية رقيقة وبمساحات كبيرة نسبيا" وبسمك متجانس وبسرعة وسهولة اكبر وكلفة انتاجية اقل من الط اري ق الاخرى مما يعزز في اهميتها في مجال (5) الانتاج الصناعي. القياسات والنتاي ج درست الخواص الضوي ية لا غشية CdS:Al وبنسب وزنية مختلفة وبسمك يت اروح بين (.0-5.) مايكرو متر المحضرة بطريقة الرش الكيمياي ي الح ارري والمخزونة لمدة عشرة اعوام في ظروف مناخية متغيرة من درجة ح اررة ورطوبة - ] درجة ح اررة تت اروح بين (0-50) درجة مي وية ورطوبة نسبية من %(0-85) [ لمدى استق اررية هذه الخواص لهذه الا غشية. قيست الامتصاصية (A) باستخدام جهاز قياس الطيف ] Photometer] Unicam SP8-00 Ultraviolet Spectro في مدى الاطوال الموجية من (0.-0.8) مايكرومتر. ( α cm أ - حساب معامل الامتصاص coefficient) (absorption - تم حساب معامل الامتصاص ) العلاقة من.0 α = ( A A )...( ) t () حيث Aيمثل مقدار الامتصاصية, t سمك الغشاء, Α مقدار التصحيح للامتصاصية. فقد تم التصحيح للانعكاسية بمد خط مستقيم من ذيل منحني الامتصاصية عند الاطوال الموجية القصيرة, ثم نطرح قيمة الامتصاصية للخط المستقيم الذي يمث ل Α م ن جمي ع ق يم الامتصاصية للمنحني كما مبين في الشكل () الذي يوضح طبيعة تغير الامتصاصية كدالة
للطول الموجي لا غشية CdS:Al وبنسب تركيز مختلفة. وقد طبقت هذه الطريقة بنجاح في بحوث كثيرة سابقة وتم التحقق (7) من صحتها. شكل رقم( ): يمثل االمتصاصية A طول الموجيhD الشكل () يوضح العلاقة بين معامل الامتصاص (α) وطاقة الفوتون hγ لا غشية CdS:Al المحضرة بالنسبة الوزنية (0.59 0.9). يطلق على هذه المنطقة بحافة الامتصاص حيث تم عندويبدو واضحا" أن تغير معامل الامتصاص كدالة لطاقة الفوتونون كبي ار عند الطاقات الواطي ة اقل من ev).) وها حساب (α) كما مبين في الجدول (). ( hγ ) شكل رقم (): العالقة بين معامل االمتصاص (α) وطاقة الفوتون الغشية CdS:Al
استقرارية الصفات الضوئية الغشية CdS:Al المحضرة بطريقة الرش... ان معرفة معامل الامتصاص يساعد في استنتاج انواع الانتقالات الالكترونية, فعندما تكون قيم معامل الامتصاص (α) اقل من ) - cm 0) حيث تكون الطاقات الفوتونية صغيرة, يكون الانتقال غير مباشر, يحفظ زخم الالكترون والفوتون بمساعدة فونون وعندما تكون قيم معامل الامتصاص اكبر من ) - cm 0) حيث ان الطاقات الفوتونية كبيرة فيكون الانتقال مباش ار ويكون زخم الالكترون والفوتون محفوظين, أما الطاقات فتبقى في كلتا الحالتين محفوظة. ب- حساب فجوة الطاقة المباشرة (Eg)] [ direct energy gap إن احتمالية أمتصاص الفوتونات تعتمد على كثافة الالكترونات في مستويات حزم التكافؤ وعلى وجود مستويات فارغة في حزم التوصيل. وبما ان كثافة المستويات تزداد كلما أبتعدنا عن حافة الحزمتين, لذا فا ن معامل الامتصاص (α) يزداد (8) عندما تصبح طاقة الفوتون اكبر من طاقة القجوة وفق المعادلة. حيث أن αhγ = α 0( hγ E g n )...() =n /=n للانتقال المباشر المسموح للانتقال المباشر غير المسموح E- g طاقة الفجوة الضوي ية (8) α 0 كمية ثابتة لاتتغير مع طاقة الفوتون ولها علاقة مباشرة بصفات المادة واحتمالية الانتقال. تم حساب فجوة الطاقة المباشرة ) g E) لا غشية CdS:Al من طيف الامتصاصية بالا ستعانة بالمعادلة () وذلك برسم ) α ( كدالة لطاقة الفوتون ) hγ ( وعند مد الجزء الخطي من المنحني الى محور الطاقة (0 = ( α نحصل على قيم فجوة الطاقة كما في الشكل (), نلاحظ من الجدول () ان مقدار التغير بقيم فجوة الطاقة يكون بحدود (0.05)eV عند تغير النسب الوزنية للا لمنيوم من wt% (0-). وبما أن لفجوة الطاقة أهمية خاصة في تحديد الصفات الفيزياي ية للمواد حيث تعتبر مقياسا" لا ختبار المواد ككواشف للا شعاع لا ن التوصيلية الضوي ية تكون كبيرة عندما طاقة الاشعاع الساقط تكون مساوية لطاقة الفجوة, وقد بينت النتاي ج تطابق هذه القيم مع القيم المحسوبة قبل عشرة اعوام مما يدل على استق اررية الصفات الضوي ية لهذه الاغشية مع مرور الزمن وكما موضح في الشكل (). شكل رقم (): العالقة بين CdS:Al الغشية ( γ h) وطاقة الفوتون (α )
شكل رقم (): العالقة بين فجوة الطاقة Eg وتركيز االلمنيوم الجدول رقم () يوضح خلاصة النتاي ج المستحصلة من الد ارسة الحالية والد ارسة السابقة بعد مرور عشرة اعوام من تحضير هذه الا غشية. الجدول رقم (): خالصة النتائج المستحصلة من الدراسة الحالية والدراسة السابقة Al% 0 0. 0.5 Eg(ev) السابقة Eg(ev) الحالية αcm λ = 50A αcm λ = 50A الحالية 80 800 000-0 00 700 السابقة سمك الغشاء µm رقم العينة 5 7 8.75 5..79.08.95.0.88.87..85.8.8.7.5....9.85.75 -.5..5 80 90 80 80 50 50 90 0 () ج_ حساب فجوة الطاقة غير المباشرة (indirect energy gap) E g إضافة الى ذالك فقد تم حساب فجوة الطاقة للا نتقالات غير المباشرة بالا ستعانة بالمعادلتين α a αa = ( hγ E E ) n hγ g P = α a 0 hγ < ( E Ep) g..() α ( hγ E g αe = hγ 0 + E p ) n ( E ) α e = 0 h γ < g+ E p () حيث أن = n للا نتقال غير المباشر المسموح
5 استقرارية الصفات الضوئية الغشية CdS:Al المحضرة بطريقة الرش... = n للا نتقال غير المباشر غير المسموح E- p طاقة الفوتون الم ارفق لعملية الانتقال (Emission) تعني انبعاث فوتون - e (Absorption) تعني أمتصاص فوتون a- - معامل الامتصاص في حالة انبعاث فوتون - معامل الامتصاص في حالة امتصاص فوتون g - E فجوة الطاقة غير المباشرة حيث ر سمت العلاقة بين ) αhγ ( وطاقة الفوتون hγ كما في الشكل (5) لا غشية CdS:Al وبنسب وزنية مختلفة (-) وكما هو متبع في بحوث سابقة تم حساب ( ( E g. حيث يلاحظ ان فجوة الطاقة غير المباشرة تقل بزيادة نسبة (Al) في الا غشية المحضرة اما طاقة الفوتون الذي يساعد في حفظ الزحم فهي تت اروح بينeV (0.-0.) الجدول رقم () يوضح ذالك. α e α a ( hγ ) الشكل :(5) العالقة بين ) αhγ ( وطاقة الفوتون الجدول رقم (): فجوة الطاقة غير المباشرة تقل بزيادة نسبة Al) )بينما طاقة الفوتون تساعد على حفظ الزخم تتراوح بين (0.-0.) ev Al% رقم العينة m µ سمك الغشاء E E p (ev) g (ev) 0. 5..9 0. 0.5.79.8 0..95.705 0.05.0. 0. 5.88.75 0.75.87. 0.
الاستنتاج والمناقشة لقد اثبتت د ارسة الصفات الضوي ية لاغشية CdS:Al المحضرة سابقا" ما يلي :. تمتلك استق اررية عالية في صفاتها الضوي ية بالرغم من التغي ارت المناخية من درجة الح اررة ورطوبة وبالتالي يجعل من الكواشف المستخدمة لهذه الاغشية استق اررية عالية مع مرور الزمن.. تتميز بخواصها الجيدة التي يمكن اعتمادها في كثير من التطبيقات العملية وبذالك يمكن القول ان طريقة الرش الكيمياي ي الح ارري لتحضير اغشية رقيقة فتحت بابا" جديدا" في مجال بحوث الحالة الصلبة وتطبيقات الاغشية الرقيقة لانها توفر مجالا" للبحث عن عناصر ومركبات كثيرة يصعب تحضيرها بالطرق التقليدية. المصادر. B.K. Gupta and O.P. Agni hotri, solid state,commun.,,95,977.. K.W. Mitchell, A.L. Fahrenbuch and R.H. Bube,J.Appl.phys.,8,5,977.. C.Couzza, M, Garozzo, G. Maletta, D.Maryadonna and R.Tomacrello, Appl.Phys. Lett,7,59,980.. Pawan sikka, K.V.Ferdinand, G.Jagadish,Journal of materials science, Vol.0,(985). 5. A.K.Abass,Solar energy materials, Vol.7,(75-78)988.. M.A.Khalid and H.A.Jassim, Acta - Physica. Hungarica 7(),PP.9-(99). 7. F.Y.M.Al-Eithan, M.C.Al-Edani, and A.K.Abass,Phys.Stat.Sol.(a),57 (087). الخلايا الشمسية تا ليف مارتن.أ. درين, ترجمة الدكتور يوسف مولد حسن (98 (.8 9. H.New mann. B.Derit, N.A.K.Abdu-Hussein and R.D.Tomlinson,,, Cryst.Res.Technol,, Vol. 7,P. 9, 98. 0. Maarib A. Khalid, Fatama H.Ashoor and Nadum A.K.Abdul Hussain, Basrah J.science, A,Vol.,No.,-9-99.. A.K.Abass,F.Al-Eithan,and R.H.Misho, Phys, Stat. Soli. (a) 89, 5, 985.. S.H.Gatti. Msc. Thesis, Basrah University. (99).. U.A.Khalid Msc. Thesis, Basrah University.(989). Abstract: Thin films of CdS:Al were prepared previously onto glass substrates by spray pyrolysis teqnique with substrate temperature (9 0 k). The thickness of the prepared samples were in the range of (.0-5.) micrometer. After ten years the optical properties were studied to know the stability of this films. The absorption coefficient is calculated in the fundamentals absorption region, the direct and indirect energy gaps were calculated as a function of (Al) concentration, which were found to vary from (.-.5) ev in the doping range (0-) wt. %.