Date of Award

4-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Salem Alzahmi

Second Advisor

Abdulrahman Alraeesi

Abstract

Copper-Zinc-Tin sulphide (CZTS) compound is one of the alloys, which has significantly caught the attention of a considerable number of researchers since the beginning of the century. Consequently, academic laboratories started investigating the alloy in-depth with its various combination due to its valuable applications with high potential usage. The CZTS alloy has a high tendency to replace the current copper indium gallium selenide (CIGS) thin-film solar cell system due to scarcity of CIGS components, and toxic manufacturing procedures compared to CZTS. Nevertheless, CZTS is a new studied compound with exceptionally low photovoltaic empirical efficiency and an inadequate understanding of its chemical reaction behaviour. But, CZTS has high theoretical potential applications due to its superb theoretical photovoltaic properties such as bandgap. Additionally, there are multiple and great properties for copper, copper-zinc, copper-tin, tin-zinc, copper-tin-zinc combination alloys as well which will favour them to be used in different applications. For example, among many advantages of brass and bronze are corrosion resistance, strength, more ductile, high wear resistance, and better appearance. Plus, a thin film of copper over carbon alloy has great application as a thin-film battery electrode due to its ability to store energy. In this study, the behaviour of the copper, zinc, tin, and their combination solutions electrodeposited over carbon substrate has been studied with a purpose to have a better understanding of the element behaviour during the electrodeposition process which would get us a better understanding of the resulted compositions. The study has been done using the electrodeposition method because of its high cost-effectiveness, easiness in manufacturing, and rapid results compared to all other methods. As a start, equimolar solutions have been stabilized under similar environmental conditions which will make the behaviour of the elements as a major factor in the yielded composition. Also, the electrical conductivity of the engineered stable solutions has been examined with varying pH. Then, each solution has been examined using cyclic voltammetry (CV) experiments. Finally, the samples resulting from constant deposition have been inspected with SEM, EDS, and XRD devices to determine the quality of the electrodeposited elements, their presence, and amount. In this study, it was found that the most stable equimolar solution mix had.03 M of Cu, Zn, and Sn and 0.125 M

of Sodium Citrate as complexing agents. The SEM mostly showed rough surfaces for all samples with electrodeposited particles with various style patterns over carbon. The EDS and XRD showed a good mass of the elements electrodeposited in a single step such as in sample C4 which contains 0.03 M Copper (II) Sulphate, 0.03 M Zinc Sulphate, 0.03 M Tin (II) sulphate, and 0.125 M Sodium Citrate. As a result, it was confirmed that 0.9 mg of CZT was electrodeposited over carbon where 24.99% zinc, 25.06% copper, and 42.75% in weight percentage yielded of the sample

Comments

مركب ( CZTS) هو أحد السبائك التي لفتت انتباه عدد كبير من الباحثين منذ بداية القرن. وبناءً على ذلك، بدأت المختبرات الأكاديمية بفحص السبيكة بعمق بمجموعتها المتنوعة نظرًا لتطبيقاتها القيمة ذات الاستخداما ت المهمة المحتملة. يسعى الباحثين بسبيك ة CZTS إلى استبدال نظام الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة النحاسية سيلينيد غاليوم الإنديوم CIGS بسبب ندرة مكونا ت CIGS وإجراءات التصنيع السامة بمقارنة CZTS . ومع ذلك، فإن CZTS هو مركب تم دراسته حديثا بكفاءة تجريبية كهروضوئية منخفضة للغاية وفهم غير كافٍ لسلوك تفاعله الكيميائي. لكن، CZTS لها تطبيقات نظرية عالية ومهمة محتملة بسبب خصائصهاالكهروضوئية الرائعة. بالإضافة إلى ذلك، هناك خصائص متعددة ورائعة للسبائك المركبة Cu , Zn Cu ، CuSn ، SnZn والتي سيتم استخدامها في تطبيقات مختلفة . على سبيل المثال، يتمتع النحاس والبرونز بالعديد من المزايا مثل مقاومة التآكل، والقوة، والمزيد من المرونة، والمظهر الجذا ب. بالإضافة إلى ذلك، فإن طبقة رقيقة من النحاس فوق سبيكة الكربون لها تطبيق رائع كقطب بطارية ذو غشاء رقيق نظرًا لقدرتها على تخزين الطاقة. في هذه الدراسة، تمت دراسة سلوك النحاس والزنك والقصدير والمحاليل المركبة الخاصة بهم المطلية بالكهرباء فوق ركيزة الكربون بغرض الحصول على فهم أفضل لسلوك العنصر أثناء عملية الترسيب الكهربائي مما يجعلنا نفهم بشكل أفضل ما ينتج من التفاعلا ت. تمت الدراسة باستخدام طريقة الترسيب الكهربائي لما لها من فعالية عالية من حيث التكلفة، وسهولة في التصنيع، ونتائج سريعة مقارنة بجميع الطرق الأخرى. كبداية، تم تثبيت الظروف البيئية للمحاليل مما سيجعل سلوك العناصر حال التفاعل عاملًا رئيسيًا في الناتج. أيضًا، تم فحص التوصيل الكهربائي للمحاليل المستقرة المصممة هندسيًا بدرجات حموضة متفاوتة. بعد ذلك، تم فحص كل محلول باستخدام تجارب قياس الجهد الدوري (CV) أخيرًا، تم فحص العينات الناتجة من الترسيب المستمر باستخدام أجهزة SEM و EDS و XRD لتحديد جودة العناصر المترسبة كهربائيا ووجودها وكميتها. في هذه الدراسة، وجد أن خليط المحلول الأكثر استقرارًا يحتوي على 0.03 مولار من النحاس، والزنك، والقصدير و 0.125 مولار من سترات الصوديوم كعامل معق د. أظهر SEM في الغالب أسطحًا خشنة لجميع العينات ذات الجسيمات المطلية بالكهرباء ذات أنماط مختلفة على الكربون. أظهر EDS و XRD سمكًا جيدًا للعناصر التي تم ترسيبها كهربائيًا في خطوة واحدة كما في العينة التي تتكون من محلول فيه 0.03 م نحاس ( II ) كبريتات، 0.03 مولار كبريتات كبريتات، 0.03 مولار كبريتات الزنك، 0.03 مولار كبريتات القصدير II) ) و 0.125 مولار سيترات الصوديوم . النتيجة للترسيب الكهربائي كان 1.5 مجم من CZT تم طلاؤها على الكربون حيث 24.99 ٪ زنك و 25.06 ٪ نحاس و 42.75 ٪ قصدير.

Download
COinS