دراسه الخصائص التركيبيه و الانتقاليه الكهربيه و الفولتضوئيه للشرائح الرقيقه من الفيثالوسيانين

"تعد أشباه الموصلات الركيزة الأساسية للتقدم التكنولوجي الذي يشهده العالم حديثا، وتبرز أشباه الموصلات العضوية كأحد أنواع أشباه الموصلات الجديدة والواعدة في مجال إنتاج الطاقة النظيفة المتجددة. لذا تعتبر دراسة الخصائص الفيزيائية لتلك المركبات العضوية وبخاصة التي تكون على هيئة شرائح رقيقة ضرورة هامة لمواكبة الاهتمام المتزايد في تقنية تصنيع الخلايا الشمسية رخيصة التكلفة. ومن بين المركبات العضوية التي اهتم العلماء بدراستها خلال السنوات القليلة الماضية تأتي مركبات الفيثالوسيانين                    . (Phthalocyanines)     

ولقد حظيت مركبات الفيثالوسيانين باهتمام كبير نظرا لما تتمتع به من خصائص مميزة مثل الموصلية الضوئية وظاهرة التلون الضوئي وغيرها بالإضافة إلي أنها تتميز بثبات حراري وكيميائي عالي إلي جانب فعاليتها الضوئية، لذا فهي تدخل في كثير من التطبيقات الفوتوالكترونية و الفولتضوئية و على رأسها تصنيع الخلايا الشمسية. ويعد الفيثالوسيانين (الخالي من الفلز) واحداً من أهم مركبات الفيثالوسيانين وهوالذي تتناوله الدراسة الحالية بالبحث من خلال دراسة الخصائص التركيبية والخصائص الانتقالية الكهربية و الخصائص الضوئية لشرائح رقيقة منه. وكذلك دراسة الخصائص الفولتضوئية للوصلات المتغايرة من الفيثالوسيانين المرسب على السليكون وعلى ذلك تمت الخطوات التالية:

•       تم تحضير مجموعة من الشرائح الرقيقة من الفيثالوسيانين (الخالي من الفلز) بسمك يتراوح ما بين 101.5-460 نانومتر و قد تم تحضير هذه الشرائح بتقنية التبخير الحراري في جو مفرغ يصل إلي 10-4باسكال و معدل التبخير عند 2.5 نانومتر في الثانية مع الاحتفاظ بدرجة حرارة حوامل الشرائح عند درجة حرارة الغرفة أثناء عملية التبخير.

•       تم ترسيب الشرائح سابقة الذكر على أنواع مختلفة من الحوامل: حيث استخدم الزجاج كحوامل لدراسة الخصائص التركيبية و الكهربية الانتقالية و استخدمت حوامل من الكوارتز لدراسة الخصائص الضوئية بينما استخدمت بلورات أحادية من السليكون ذو الموصلية السالبة            (n-type)لتحضير وصلات ثنائية متغايرة من الفيثالوسيانين /السليكون و دراسة خصائص التيار و الجهد لهذه الوصلات و كذا الخصائص الفولتضوئية.

•       تم دراسة التركيب البلوري للفيثالوسيانين في حالتيه كمسحوق و كشرائح رقيقة باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية و بأطياف الامتصاص للأشعة تحت الحمراء بتحويلات فوريير وكذلك تقنية المجهر الالكتروني الماسح و حيود الالكترونات. و قد أوضحت نماذج الحيود بالأشعة السينية أن التركيب البلوري للمسحوق ينتمي إلي الطورين αو من النظام البلوري ذات الميل الواحد بثوابت شبكية بلورية: a=17.31 انجستروم,           b = 4.72 انجستروم , c = 14.8 انجستروم , 104.1=○ درجة.وان الشرائح الرقيقة تنتمي إلي الطورαو باتجاه مفضل للإنماء في المستوى¯101 .كما تم دراسة تأثير عملية التلدين على كلا من الحجم الحبيبي للبلورات و كثافة الإنخلاعات و الانفعالات للشرائح الرقيقة من الفيثالوسيانين مختلفة السمك . وقد أظهرت النتائج تزايد الحجم الحبيبي للبلورات بعد عملية التلدين عند درجة حرارة 623كلفن لمدة ساعة واحدة بينما تقل كلا من كثافة الانخلاع و الانفعالات بعد عملية التلدين .

وقد أظهرت دراسة المجهر الالكتروني الماسح لسطح الشرائح الرقيقة تحسن الشكل الحبيبي للمركب مع زيادة سمك الشرائح وكذلك مع تزايد درجة التبلور بعد تلدين الشرائح وهذا ما أكدته دراسة الشكل البلوري بحيود الالكترونات.

وقد أوضحت دراسة طيف الامتصاص في منطقة الأشعة تحت الحمراء لكلا من مسحوق المادة و شرائحها الرقيقة المحضرة عند درجة حرارة الغرفة وكذلك الشرائح الرقيقة بعد عمل تلدين لها عند 623كلفن لمدة ساعة واحدة أن تقنية التبخير الحراري المستخدمة في تحضير الشرائح الرقيقة من المسحوق تقنية جيدة للحصول على شرائح رقيقة لها نفس التركيب الجزيئي لنفس المركب في حالته الحجمية. كما أكدت الدراسة على أن مسحوق المادة ينتمي إلى الطورين  αو من النظام البلوري بينما تميل الشرائح الرقيقة المحضرة مباشرة بدون أي معالجة حرارية إلي الطور α.

•       كما تم دراسة بعض الخصائص الضوئية للشرائح الرقيقة من الفيثالوسيانين, حيث تم قياس منحنيات التوزيع الطيفي الامتصاصية في المدى الطيفي من 200الي 800 نانومتر.

 و قد أظهرت منحنيات الامتصاص قي منطقة الضوء المرئي و الأشعة فوق البنفسجية القريبة وجود نطاقين للامتصاص هما النطاق Q و النطاق B -المسمى -Soret band. و يتميز نطاق الامتصاص Q بوجود انسلاخ دافيدوف  و بفرق في الطاقة (∆Q)قدره 0.21 إلكترون فولت و قد أرجعت قمم الامتصاص إلي انتقالات بين الاوربيتالات من النوع π–π* . كما تم تعيين منحنيات التوزيع الطيفي لمعامل الامتصاص \α و معامل الامتصاص المولاري εmolar  و منها تم تعيين بعض المعاملات الضوئية مثل شدة المتذبذب ƒ و شدة المزدوج الكهربي q2 للانتقالات الالكترونية الرئيسية بالضوء.وقد اتضح من تحليل معامل الامتصاص كدالة في الطاقة وجود انتقالين من النوع غير المباشر: الانتقال الأول يمثل فجوة الطاقة الأولية (onset) بطاقة للفجوة قدرها 1.4 إلكترون فولت للشرائح المحضرة عند درجة حرارة الغرفة تزداد إلى 1.41 للشرائح بعد تلدينها بينما يمثل الانتقال الثاني فجوة الطاقة الأساسية (fundamental)بقيمة قدرها  2.74 إلكترون فولت للشرائح كما حضرت وأيضا بعد تلدينها وبقيم لطاقة الفونون المصاحب للانتقال تساوي 0.272 إلكترون فولت، 0.128 إلكترون فولت على الترتيب.

•       كما تم دراسة الخصائص الكهربية الانتقالية  للشرائح الرقيقة من الفيثالوسيانين و التي تتضمن قياس المقاومة النوعية الكهربية في حالة الإظلام كدالة في كل من سمك الشرائح و درجة حرارة العينات كما حضرت و أيضا بعد تلدينها. و قد أوضحت النتائج تناقص المقاومة النوعية مع تزايد سمك الشرائح و كذلك تناقص قيم متوسط المسار الحر للإلكترون مع زيادة درجة الحرارة لكلا من شرائح الفيثالوسيانين كما حضرت وايضا بعد تلدينها. وبتمثيل العلاقة البيانية lnρ مع مقلوب درجة الحرارة اتضح وجود خطين مستقيمين يدلان على وجود طاقتي تنشيط  ∆E1، و ∆E2 و هذا يرجع لوجود آليتين للتوصيل. =∆E1 0.156 الكترون فولت وقد أرجعت لتوصيل غير ذاتي لشبه الموصل (extrinsic) ، و0.766= ∆E2 إلكترون فولت وهى ترجع إلى توصيل ذاتي للموصل (Intrinsic) ، كما اتضح تناقص في قيم طاقتي التنشيط للعينات بعد تلدينها عند درجة 623 كلفن لمدة ساعة واحدة.

و بقياس القوة الدافعة الكهروحرارية في المدى من300 الي 400 كلفن للشرائح مختلفة السمك من الفيثالوسيانين و تعين معامل سيبك لها، اتضح أن هذه الشرائح تسلك سلوك أشباه الموصلات من النوع الموجب وحيث أنه سبق استنتاج أنها ذات موصلية ذاتية فقد تم ربط نتائج علاقة الموصلية الكهربية ρ ومعامل سيبك S بدرجة الحرارة وتطبيق نموذج للتوصيل يوضح أن الموصلية الموجبة ترجع إلى كون حركية الفجوات أعلى من حركية الإلكترونات ومن تطبيق هذا النموذج أمكن تعيين بعض المعاملات التالية:

      تركيز حاملات الشحنة الموجبة = × 1017 1.967 م-3

     حركية حاملات الشحنة الموجبة=  8.56 × 10-6 م2فولت-1 ثانية-1

      النسبة بين حركية الشحنة الموجبة و حركية الشحنة السالبة=0.663 .

 وقد تم تعيين متوسط المسار الحر للإلكترون من خلال قياس معامل سيبك كدالة في السمك و الذي تظهر نتائجه تناقص في قيمته بزيادة درجة الحرارة. كما توضح قياسات التيار-الجهد لشرائح الفيثالوسيانين التي تم تحضيرها على هيئة ساندوتش بين الكترودين اوميين من الذهب انها تسلك سلوكا أوميا عند الجهود المنخفضة نسبيا بينما عند الجهود الاعلى فانها تتبع التوصيل بالية التيار المحددة بالشحنة الفراغية (SCLC)والتي تتميز بتوزيع أسي لمناسيب المصائد اعلي حافة منطقة التكافؤ.و بتطبيق نظرية لامبرت للتوزيع الاسي للمصائد تم الحصول على العديد من المعاملات المميزة مثل درجة الحرارة المميزة، حركية الفجوات، كثافة المصائد في وحدة الطاقة عند حافة منطقة التكافؤ، تركيز المصائد الكلي و تركيز الفجوات.

•       كما تم دراسة الخصائص الفولتضوئية للوصلات الثنائية المتغايرة من الفيثالوسيانين المرسب على قواعد من السليكون السالب. وبتحليل المنحنيات المميزة لهذه الوصلات بين (الجهد و التيار و درجة الحرارة في حالة الظلام) أمكن تعيين معامل التكبيروالذى تتراوح قيمته في المدى من103 -104 وذلك عند جهد 0.5 فولت عند درجة حرارة             300 كلفن. كما أوضحت النتائج أن آلية التوصيل في هذه الوصلات تتم بعملية (إعادة الاتحاد عديد الدرجات عبر الأنفاق) وذلك عند جهد الانحياز الامامى و الخلفي.

وأخيرا فقد تم قياس العلاقة بين الجهد و التيار لهذه الوصلات تحت تاثير الضوء لاستنتاج أداء ومعاملات الخلايا الشمسية مثل جهد الدائرة المفتوحة)  0.34= (Voc فولت و تيار الشحنة في حالة القصر (Jsc ) =  17.5 مللى امبير/سم2ومعامل الامتلاء  =  (FF)  0.38و كفاءة التحويل التي مقدراها = (η)   1.5%."