Date of Award

Summer 6-2014

Document Type


Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)


Mechanical Engineering

First Advisor

Prof. Yousef Haik

Second Advisor

Prof. Nacir Tit

Third Advisor

Dr. Ahmad Ayesh


This study investigates the influence of nanoparticles (NPs) size on their optical properties, and the effect of combination of lead sulfide (PbS) quantum dots (QDs), with n-type and p-type NPs, on the photogenerated charge carriers transport across the heterojunction solar cell structure. PbS QDs, of a range of sizes, were synthesized using a co-precipitation process. In this study, p-type NPs, which are poly [3,4-ethylenedioxythiophene] –poly [styrenesulfonate] (PEDOT: PSS), copper oxide (CuO) and graphene oxide (GO); and n-type NPs which are zinc oxide (ZnO), titanium dioxide (TiO2), cadmium sulfide (CdS) and bismuth sulfide (Bi2S3), were synthesized and characterized by SEM and UV-visible spectrophotometers. The NPs with enhanced optical properties were utilized in heterojunction solar cell structures via spin coating, chemical bath deposition and SILAR cycle methods. The morphology and the theoretical band energy diagram for each cell were examined. The photovoltaic performance of the cells was measured in the dark and under 1 sun illumination (irradiation of 100 mW/cm2). This yielded cells with efficiencies from 0.388% up to 5.04%. The solar cell with FTO/ZnO/TiO2/CdS/PbS/PEDOT:PSS/Au structure and optimum layers' thickness exhibited a short-circuit current of 24.2 mA/cm2, an open circuit voltage of 544 mV, a fill factor of 38.2 % and a power conversion efficiency of 5.04% with good stability. This is related to the uniform surface morphology throughout every cell layer without voids, pinholes or cracks. Furthermore, the gradual band energy levels alignment of n-type and p-type QDs (CdS/PbS), as well as the high hole vii mobility of PEDOT:PSS and the high electron affinity of ZnO and TiO2 are other contributory factors influencing efficiency enhancement.


هدفت هذه الدراسة الى بناء خلايا شمسية باستخدام الجسيمات النانوية. تم فحص تأثير حجم الجسيمات النانوية على خصائصها البصرية، وتأثير مزيج من جسيمات نانوية مكونة من أشباه موصلات سالبة وأخرى موجبة، مع جسيمات كبريتيد الرصاص النانوية (PbS) ، على نقل الشحنات عبر بنية الخلية الشمسية. في هذه الدراسة، الجسيمات النانوية المكونة من أشباه الموصلات السالبة هي : بوليمر موصل (PEDOT:PSS) ، أكسيد النحاس (CuO) ، و أكسيد الجرافين (GO) . و أشباه الموصلات الموجبة هي: أكسيد الزنك ) ZnO (، ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) ، كبريتيد الكادميوم CdS) (، وكبريتيد البزموث (Bi2S3) . تم تجهيزها مخبريا باستخدام عدة طرق كيميائية، و فحص خصائصها الضوئية بالاضافة الى حجم وشكل الجسيمات، باستخدام المجهرالإلكتروني الماسح و مقياس الطيف الضوئي. الجسيمات النانوية ذات الخصائص الضوئية المحسنة، استخدمت في بناء عدة تراكيب من الخلايا الشمسية. تم قياس أداء كل من الخلايا الشمسية في الظلام وتحت الإضاءة بواسطة .٪ جهاز محاكاة الشمس ) 1كيلو واط/متر 2(. حققت هذه الخلايا كفاءات من 8.300 ٪ إلى 4.85 الخلية الشمسية ذات التركيب: FTO /ZnO /TiO2 /CdS /PbS /PEDOT:PSS /Au أعطت أفضل النتائج مع استقرار جيد؛ نتج عنها جهد دائرة مفتوحة قيمته 455 فولت، كثافة تيار دائرة مغلقة قداره 25.2 ميلي أمبير/سم 2، و كفاءة تحويل طاقة مقدارها 4.85 ٪. يعود تحسن الفعالية في هذه الخلية الى تجانس السطح في جميع طبقات الخلية، دون وجود فراغات ، ثقوب أو شقوق. وكذلك التوافق في مستويات الطاقة للمواد المستخدمة في بناء طبقات الخلية.


I would like to express my great appreciation to those who contributed directly or indirectly to my dissertation during the completion of this study. I am sincerely grateful to my supervisor Professor Yousef Haik for his continuous support, guidance, encouragement and fruitful discussions throughout this research. I appreciate the kind coopration and assistance of my co-advisors Professor Nacir Tit and Dr.Ahmad Ayesh whose assistance with theoretical, practical and logistical issues proved invaluable throughout the process of preparing this dissertation. I would like to thank the technical staff in the laboratories at the Mechanical Engineering Department and the Physics Department for their support on technical issues. I also appreciate the encouragement of all my friends who inspired me throughout my studies. Finally, I appreciate the support of my family, with special thanks to my husband Khalid for his understanding and unconditional support throughout this research.