SUPERVISOR
Dariush Semnani,Hossein Tavanai,Kazem Karami
داریوش سمنانی (استاد راهنما) حسین توانایی (استاد مشاور) کاظم کرمی (استاد مشاور)
STUDENT
Fatemeh Seddighin
فاطمه صدیقین
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Manufacturing and Characterizing the Copper Nanofibers by core-shell electrospinning Method for Using in Transparent electrode for Solar Cells
Because of the dramatic increase in the all kinds of energy consumption, globally, the use of sustainable, renewable and green energy sources are gaining more attention in the last couple of decades. Solar energy, as one of the most important sources of sustainable energy, can be used to generate electricity through photovoltaic cells in order to prevent environmental pollutions, such as fossil fuels. To date, researchers, in various fields related to solar energy, have developed many projects for high-performance TCE, with optimum transmittance and conductivity, to use in photovoltaic cells. Recently, MNWN or MNFN-based structures were introduced as superior alternatives to electrodes such as ITO films. These lattice structures demonstrate favorable electrical, optical and mechanical properties due to their high aspect ratios of NWs and are, economically, more efficient compared to other structures. Modification in properties of CuNWs attracted a considerable attention among other NWs, such as silver, due to the low price and high conductivity. So far, many researches are conducted on the fabricated of CuNFs by electrospinning. In this study, by producing CuNFs as core-shell electrospinning, smooth and uniform crystalline nanofibers are produced that compete with other nanofibers in point of structure and morphology. The production of flexible CuNFs electrodes is performed in a three-stage process of: a) nanofibers production, b) calcinate, and c) transfer to a flexible substrate. In the first stage, different concentrations of Cucl2 are tested through core-shell electrospinning of Cucl2 and polyvinyl alcohol to achieve optimum properties of nanofibers, despite keeping constant the concentrations of 10% of w/v polymer solution. In this process, we compared the structure and the properties of produced nanofibers with CuCl2 concentrations of 25%, 30% and 35%. Also, under ambient temperature and humidity conditions, with a voltage of 18 kV and a working distance of 19 cm, in the periods of 6, 8 and 10 hours, electrospinning is performed to create networks with different traarency. In the second stage, thermal processes at 500 ° C, resulted in the formation of CuNWN by welding copper crystals, removing the polymer component and other impurities. The structure of the network has been examined by SEM, TEM, EDS, XRD and FTIR tests. In the last stage, to transfer the network to a flexible substrate PMMA polymer, two methods of dip coating and spin coating are implemented. In addition, the electrical, optical and mechanical properties of the produced structure are characterized with devices 4-point probe, spectrophotometer and Zwick. In this study, by maintaining the coherence between the copper crystals along the nanofibers and creating a uniform and smooth surface, completely crystalline nanofibers with high aspect ratio are produced. In these lattice structures, by reducing the contact resistance between nanofibers and, thus, reducing the sheet resistance, we can provide a better electrical conductivity. The average sheet resistance of all CuNFN samples, before and after transferring to the flexible substrate, is 58.30 ohm's and 4.50 MPa, respectively. The average traarency was 58.72% at 550 nm (visible spectra). The mechanical stability of the electrodes and the change in sheet resistance are also evaluated. On the other hand, CuNFN, at a concentration of 30%, show a better results compared other concentrations. Moreover, by increasing the concentration of cucl2 solution to an optimum level, the diameter of nanofibers increases, and due to the increase in the flow of electrons in the cross section of nanofibers, the sheet resistance decreases. As can be seen, the electrospinning time to creating more conductive paths, reduces the sheet resistance and the traarency of the samples. Generally, by increasing the voltage, the electric current increases. In order to determine the optimum results of electrodes, a number of samples were examined by the figure of merit.
میزان مصرف انرژی در جهان، به سرعت روبه افزایش بوده و به همین علت استفاده از منابع انرژی پایدار، تجدید پذیر و سبز، از اهمیت زیادی برخودار است. یکی از مهمترین منابع انرژی پایدار، انرژی خورشیدی است، که با استفاده از سلولهای فتوولتائیک به منظور تولید برق، به جلوگیری از آلودگی محیط زیست ناشی از سوختهای فسیلی، کمک م ینماید. تا به امروز، محققان در رشت ههای مختلف مرتبط با انرژی خورشیدی، طرحهای زیادی جهت ایجاد الکترود رسانای شفاف بهینه با کارایی بالا، به منظور استفاده در سلولهای فتوولتائیک، ارائه دادهاند. اخیراً ساختارهای بر پایهی شبکه نانوسیمها یا الیاف مس، جایگزین مناسب برای الکترودهایی مانند فیلمهای بر پایهی ITO ، معرفی شدند. این ساختارهای مشبک به دلیل داشتن نسبت ابعادی بالا ی نانوسیمها، خواص مطلوب الکتریکی، نوری و مکانیکی، از خود نشان داد ه و نسبت به دیگر ساختا رها از صرف هی اقتصادی بیشتری برخودار هستند . در میان نانوسیمها، مس به دلیل قیمت ک متر نسبت به دیگر فلزات ی همچون نقره، بسیار مورد توجه قرار گرفته است و بنابراین تحقیقات، بر روی اصلاح و بهبود خواص نانو سیمهای مس) CuNWs (، متمرکز شد هاند. تاکنون، تحقیقات زیادی در زمینهی تولید نانوالیاف مس ) CuNFs ( با روش الکتروریسی انجام گرفته است؛ اما در این پژوهش با تولید نانوالیاف مس به صورت الکتروریسی پوسته-مغزی، نانوالیاف بلوری صاف و یکنواختی تولید شدهاند که از نظر ساختار و مورفولوژی نسبت به سایر نانوالیاف نظیر خود، برتری دارند. تولید الکترودهای منعطف با شبکه نانوالیاف مس، طی سه مرحل هی کلی تولید نانوالیاف، اعمال فرآیندهای حرارتی و انتقال به بستر منعطف، انجام شده است؛ ب هصورت یکه در مرحل هی اول، با استفاده از الکتروریسی پوسته-مغز ی از مسکلرید-پل یوینیلالکل، به منظور دستیابی به خواص بهین های از نانوالیاف، با وجود ثابت نگه داشتن غلظت 10 % محلول پلیمر ی، غلظتهای مختلف از م سکلرید مورد آزمایش قرار گرفت. به این ترتیب مابین ساختار و خواص نانوالیاف تولید شده با غلظتهای م سکلرید 25% ، 30% و 35 % مقایسه به عمل آمد و گزارش گردید. همچنین برای ایجاد شبک ههایی با شفافیت متفاوت، در سه مدت زمان 6 ، 8 و 10 ساعت، تحت شرایط دما و رطوبت محیط، با ولتاژ 18 کیلوولت و فاصله کاری 19 سانت یمتر، الکتروریسی انجام شده است. مرحل هی دوم و فرآیندهای حرارت ی در دمای 500 درج هسانتیگراد، باعث ایجاد شبکه نانوالیاف مس با اتصال بلورهای مس، حذف جزء پلیمری و دیگر ناخالص یها شده است. در مرحلهی سوم بهمنظور ایجاد الکترود شامل شبکه نانوالیاف مس، انتقال شبکه به بستر منعطف با پلیمر PMMA ، از دو روش غوطهوری و پوششدهی دورانی استفاده شده است. ساختار شبکه، با آزمونهای SEM ، TEM ، EDS ، XRD و FTIR ، مشخصهیابی و خواص الکتریکی، نوری و مکانیکی کلیهی نمونهها، با دستگا ههای پراب 4 نقطهای، اسپکتروفتومتر و زوئیک، اندازهگیری شده اند. در این پژوهش، با حفظ پیوستگی مابین بلورهای مس در طول نانوالیاف و ایجاد سطح یکنواخت و صاف، نانوالیاف کاملاً بلوری با نسبت ابعادی بالا، تولید شدهاند. این ساختار با کاهش در مقاومت تماسی مابین نانوالیاف و درنتیجه کاهش مقاومت ورقهای، از رسانایی الکتریکی خوبی برخوردار است. میانگین مقاومت ورقهای کلی هی نمونههای شبکه نانوالیاف مس قبل از انتقال به بستر منعطف 30 / 58 اهمبراسکوار بوده و پس از انتقال 50 / 4 مگااهمبراسکوار در شفافیت میانگین 72 / 58 % در طول موج 550 نانومتر، حاصل شده است. پایداری مقاومت ورقهای الکترودها در برابر تنش کششی نیز ارزیابی شده است. شبکه نانوالیاف مس، در غلظت 30 %، نسبت به دو غلظت دیگر، نتایج مطلوبتری را نشان داده است. همچنین با افزایش غلظت محلول م سکلرید، قطر نانوالیاف افزایش یافته و به دلیل افزایش جریان یافتن الکترونها در سطح مقطع نانوالیاف، با کاهش مقاومت ورقهای روبر و شده است. همچنین افزایش مدت زمان الکتروریسی نیز به دلیل ایجاد مسیرهای رسانای بیشتر، موجب کاهش مقاومت ورقهای و همچنین کاهش شفافیت نمونهها شده است. در کلی هی الکترودهای تهیه شده، افزایش ولتاژ عبور داده شده سبب افزایش جریان الکتریکی م یشود. برای تشخیص الکترود بهینه، نمونهها توسط تصویر شایستگی، مورد بررسی قرار گرفتهاند.