Jump to content

CZTS

CZTS
х
Кристаллическая структура CZTS. Оранжевый: Cu, серый: Zn/Fe, синий: Sn, желтый: S.
Имена
Другие имена
медь, цинк, сульфид олова
Идентификаторы
Характеристики
Cu 2 ZnSnS 4
Молярная масса 439.471 g/mol
Появление Зеленовато-черные кристаллы
Плотность 4,56 г/см 3 [ 1 ]
Температура плавления 990 ° C (1810 ° F; 1260 К) [ 4 ]
Запрещенная зона 1,4–1,5 эВ [ 2 ] [ 3 ]
Структура
четырехугольный [ 1 ]
а = 0,5435 нм, с = 1,0843 нм, Z = 2
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).

меди, цинка и олова ( Сульфид CZTS ) представляет собой четвертичное полупроводниковое соединение, которое с конца 2000-х годов вызывает все больший интерес для применения в тонкопленочных солнечных элементах . В класс родственных материалов входят и другие I 2 -II-IV-VI 4 , такие как селенид меди, цинка и олова (CZTSe) и серо-селеновый сплав CZTSSe. CZTS обладает благоприятными оптическими и электронными свойствами, аналогичными CIGS ( селенид меди, индия, галлия ), что делает его хорошо подходящим для использования в качестве тонкопленочного поглотительного слоя солнечных элементов, но в отличие от CIGS (или других тонких пленок, таких как CdTe ), CZTS состоит из только обильные и нетоксичные элементы. Обеспокоенность по поводу цены и доступности индия в CIGS и теллура в CdTe, а также токсичности кадмия стали серьезными мотиваторами для поиска альтернативных материалов для тонкопленочных солнечных элементов . Эффективность преобразования энергии CZTS по-прежнему значительно ниже, чем у CIGS и CdTe: по состоянию на 2019 год показатели лабораторных ячеек составили 11,0% для CZTS и 12,6% для CZTSSe. . [ 5 ]

Кристаллическая структура

[ редактировать ]

CZTS представляет собой четвертичное соединение I 2 -II-IV-VI 4 . Из структуры CIGS халькопирита можно получить CZTS путем замены трехвалентного In/Ga двухвалентным Zn и IV-валентным Sn, который образуется в структуре кестерита .

В некоторых литературных сообщениях CZTS идентифицируется в родственной структуре станнита , но условия, при которых может возникнуть структура станнита, еще не ясны. Расчеты из первых принципов показывают, что энергия кристалла для структуры станнита всего на 2,86 мэВ / атом выше, чем для структуры кестерита, что позволяет предположить, что обе формы могут сосуществовать. [ 6 ] Структурному определению (с помощью таких методов, как дифракция рентгеновских лучей ) препятствует беспорядок катионов Cu-Zn, которые являются наиболее распространенным дефектом, как предсказывают теоретические расчеты и подтверждают нейтронное рассеяние. Почти случайное расположение Cu и Zn может привести к неправильной идентификации структуры. Теоретические расчеты предсказывают, что разупорядочение катионов Cu-Zn приведет к колебаниям потенциала в CZTS и, следовательно, может стать причиной большого дефицита напряжения холостого хода, основного узкого места современных устройств CZTS. Беспорядок можно уменьшить температурной обработкой. Однако другие температурные обработки, по-видимому, не позволяют получить высокоупорядоченный CZTS. [ 7 ] Для уменьшения этого дефекта необходимо разработать другие стратегии, такие как настройка состава CZTS.

Свойства материала

[ редактировать ]

Концентрации носителей и коэффициент поглощения CZTS аналогичны CIGS. Другие свойства, такие как время жизни носителей (и связанная с этим диффузионная длина), для CZTS низкие (менее 9 нс). Такое низкое время жизни носителей может быть связано с высокой плотностью активных дефектов или рекомбинацией на границах зерен. Дефектообразование в CZTS преобладает из-за низких энергий образования антисайтовых дефектов цинк-медь и медных вакансий. [ 8 ] Эти дефекты создают «эффективный» заряд в кристаллической структуре, который стабилизируется за счет агрегации различных дефектов, которые компенсируют несоответствие зарядов и становятся эффективно нейтральными. В результате образуются захватывающие электроны состояния, что обеспечивает рекомбинацию. Наличие дефектных состояний глубокого уровня снижает напряжение холостого хода и эффективность преобразования солнечного элемента CZTS.

В четвертичных соединениях, таких как CZTS, возможно множество вторичных фаз, и их присутствие может повлиять на производительность солнечных элементов. Вторичные фазы могут обеспечивать шунтирование путей тока через солнечный элемент или действовать как центры рекомбинации, что ухудшает характеристики солнечного элемента. Из литературы следует, что все вторичные фазы оказывают отрицательное влияние на работу CZTS, и многие из них трудно обнаружить и часто присутствуют. Общие фазы включают ZnS, SnS, CuS и Cu 2 SnS 3 . Идентификация этих фаз с помощью традиционных методов, таких как дифракция рентгеновских лучей (XRD), затруднена из-за перекрытия пиков ZnS и Cu 2 SnS 3 с CZTS. Некоторые примеси, такие как ZnS и Cu 8 GeS 6, можно избирательно удалить из CZTS или CZGS обработкой горячей разбавленной HCl. [ 9 ] Полиморфизм может быть еще одним источником дефектов CZTS. ширина запрещенной зоны Было обнаружено, что различных полиморфов находится в диапазоне от 1,12 до 1,45 эВ. Другие методы, такие как комбинационное рассеяние света , изучаются, чтобы помочь охарактеризовать полиморфы CZTS. [ 10 ]

Изготовление

[ редактировать ]

CZTS получают различными вакуумными и безвакуумными методами. В основном они отражают успешный опыт CIGS, хотя оптимальные условия изготовления могут отличаться. Методы можно в общих чертах разделить на вакуумное осаждение и невакуумные методы, а также одностадийные методы по сравнению с методами реакций сульфидирования и селенидирования. Методы, основанные на вакууме, доминируют в нынешней отрасли CIGS, но в последнее десятилетие наблюдается рост интереса и прогресса к безвакуумным процессам из-за их потенциально более низких капитальных затрат и гибкости для покрытия больших площадей.

Рекордные солнечные элементы CZTS изготавливаются методом центрифугирования суспензии на основе гидразина . [ 11 ] Благодаря своему восстановительному характеру гидразин может стабилизировать сульфид- и селенид-анионы в растворе без добавления примесей в смесь. [ 12 ] Для предотвращения дефектообразования использовались растворы с низким содержанием меди и с высоким содержанием цинка.

Особой проблемой при производстве CZTS и родственных сплавов является летучесть некоторых элементов (Zn и SnS), которые могут испаряться в условиях реакции. После образования CZTS летучесть элемента становится меньшей проблемой, но даже в этом случае CZTS будет разлагаться на бинарные и тройные соединения в вакууме при температуре выше 500 ° C. Эта летучесть и сложность приготовления однофазного материала привели к успеху многих традиционных вакуумных методов. В настоящее время лучшие устройства CZTS были созданы с помощью определенных химических методов, которые позволяют формировать CZTS при низких температурах, избегая проблем с летучестью.

В Университете штата Орегон был разработан непрерывный проточный процесс с использованием этиленгликоля в качестве растворителя, который может подойти для массового производства в промышленных масштабах. [ 13 ]

Мотивация к развитию

[ редактировать ]

CIGS и CdTe — два наиболее многообещающих тонкопленочных солнечных элемента, коммерческий успех которых в последнее время растёт. Несмотря на продолжающееся быстрое снижение затрат, были высказаны опасения по поводу цены и доступности материала, а также токсичности. Хотя текущие затраты на материалы составляют небольшую часть общей стоимости солнечных элементов, продолжающийся быстрый рост тонкопленочных солнечных элементов может привести к увеличению цен на материалы и ограничению поставок.

Для CIGS спрос на индий растет из-за быстрого распространения оксида индия и олова (ITO), используемого в дисплеях с плоским экраном и мобильных устройствах. Спрос в сочетании с ограниченным предложением помог ценам быстро подняться до уровня более 1000 долларов США за кг перед глобальной рецессией. Хотя обработка и капитальное оборудование составляют большую часть затрат на производство солнечных элементов CIGS, цена на сырье является нижней границей будущих затрат и может стать ограничивающим фактором в ближайшие десятилетия, если спрос продолжит расти при ограниченном предложении. Индий встречается в основном в месторождениях руд с низкой концентрацией и поэтому получается в основном как побочный продукт добычи цинка. Прогнозы роста, основанные на многих предположениях, предполагают, что предложение индия может ограничить производство CIGS до диапазона 17–106 ГВт / год в 2050 году. [ 14 ] Теллур встречается даже реже, чем индий, хотя спрос также исторически был ниже. Содержание теллура в земной коре аналогично содержанию золота, а прогнозы его будущей доступности варьируются от 19 до 149 ГВт/год в 2050 году.

CZTS (Cu 2 ZnSnS 4 ) позволяет устранить узкие места в материалах, присутствующие в CIGS (и CdTe). CZTS похож на структуру халькопирита CIGS, но использует только элементы, богатые землей. Сырье примерно в пять раз дешевле, чем сырье для CIGS, а оценки мировых запасов материалов (Cu, Sn, Zn и S) предполагают, что мы могли бы производить достаточно энергии, чтобы обеспечить мир энергией, используя всего лишь 0,1% доступных сырьевых ресурсов. [ 15 ] Кроме того, CZTS нетоксичен, в отличие от CdTe и, в меньшей степени, CIGS (хотя селен иногда легируется CZTS, а CdS иногда используется в качестве партнера по переходу n-типа). В дополнение к этим экономическим и экологическим преимуществам CZTS демонстрирует гораздо большую радиационную стойкость, чем другие фотоэлектрические материалы, что делает его отличным кандидатом для использования в космосе. [ 16 ]

Разработка солнечных батарей

[ редактировать ]

ЦЗТС был впервые создан в 1966 году. [ 17 ] и позже в 1988 году было показано, что он демонстрирует фотоэлектрический эффект. [ 18 ] В 1997 году сообщалось о солнечных элементах CZTS с эффективностью до 2,3%, а также об устройствах CZTSe. [ 19 ] В 2005 году эффективность солнечных элементов в CZTS была увеличена до 5,7% за счет оптимизации процесса осаждения. [ 20 ] Недавно в 2014 году было опубликовано сообщение о двустороннем устройстве с концентрацией 3,4%, в котором используется поглощающий материал In-замещенный CZTS (CZTIS) и прозрачный проводящий задний контакт. [ 21 ] который может производить фототок по обе стороны от освещения; позже эффективность устройства на основе этой двусторонней конфигурации была повышена до 5,8% в 2016 году. [ 22 ] Кроме того, было продемонстрировано, что натрий оказывает улучшающее влияние на структурные и электрические свойства поглотительных слоев CZTS. [ 23 ] Эти улучшения, наряду с началом производства CIGS в коммерческих масштабах в середине 2000-х годов, стимулировали исследовательский интерес к CZTS и родственным соединениям.

С 1988 года CZTS рассматривался как альтернатива CIGS для коммерческих систем солнечных батарей. Преимуществом CZTS является отсутствие относительно редкого и дорогого элемента индия . В списке рисков Британской геологической службы за 2011 год индию присвоен «индекс относительного риска предложения» 6,5, при максимальном значении 8,5. [ 24 ]

В 2010 году эффективность преобразования солнечной энергии около 10%. в устройстве CZTS достигнута [ 25 ] Технология CZTS сейчас разрабатывается несколькими частными компаниями. [ 26 ] В августе 2012 года IBM объявила, что разработала солнечный элемент CZTS, способный преобразовывать 11,1% солнечной энергии в электричество. [ 27 ]

В 2013 году Раджешмон и др. сообщили об эффективности 1,85% CZTS/In 2 S 3, солнечных элементов пиролизованных распылением. [ 28 ]

В ноябре 2013 года японская компания по производству тонкопленочных солнечных батарей Solar Frontier объявила, что в ходе совместных исследований с IBM и Tokyo Ohka Kogyo (TOK) они разработали солнечный элемент CZTSSe, установивший мировой рекорд, с эффективностью преобразования энергии 12,6%. [ 29 ]

В 2018 году наночастицы CZTS использовались в качестве слоя переноса дырок в перовскитных солнечных элементах как метод повышения стабильности и доступности устройства, в результате чего заявленная эффективность преобразования составила 9,66%. [ 30 ]

  1. ^ Перейти обратно: а б Гуэн, Л.; Глаунсингер, WS (1980). «Электрические, магнитные и ЭПР исследования четвертичных халькогенидов Cu 2 A II Б IV X 4 получен транспортом йода». Журнал «Химия твердого тела» . 35 (1): 10–21. Бибкод : 1980JSSCh..35...10G.doi : / 10.1016 0022-4596(80)90457-0 .
  2. ^ Ичимура, Масая; Накашима, Юки (2009). «Анализ атомной и электронной структуры Cu 2 ZnSnS 4 на основе первопринципного расчета». Японский журнал прикладной физики . 48 (9): 090202. Бибкод : 2009JaJAP..48i0202I . дои : 10.1143/JJAP.48.090202 . S2CID   97102555 .
  3. ^ Катагири, Хиронори; Сайто, Котоэ; Васио, Цукаса; Синохара, Хироюки; Курумадани, Томоми; Миядзима, Синсуке (2001). «Разработка тонкопленочного солнечного элемента на основе тонких пленок Cu 2 ZnSnS 4 ». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы 65 (1–4): 141–148. дои : 10.1016/S0927-0248(00)00088-X .
  4. ^ Мацусита, Х.; Итикава, Т.; Кацуи, А. (2005). «Структурные, термодинамические и оптические свойства четвертичных соединений Cu 2 -II-IV-VI 4 ». Журнал материаловедения . 40 (8): 2003–2005. Бибкод : 2005JMatS..40.2003M . дои : 10.1007/s10853-005-1223-5 . S2CID   100713002 .
  5. ^ Грини, Сигбьёрн (2019). Градация запрещенной зоны и примеси в солнечных элементах Cu2ZnSnS4 (кандидатская диссертация). Университет Осло.
  6. ^ Чен, С.; Гонг, XG; Уолш, А.; Вэй, С.-Х. (2009). «Кристаллическая и электронная зонная структура фотоэлектрических поглотителей Cu 2 ZnSnX 4 (X = S и Se): идеи из первых принципов» (PDF) . Письма по прикладной физике . 94 (4): 041903. Бибкод : 2009ApPhL..94d1903C . дои : 10.1063/1.3074499 .
  7. ^ К. Рудиш , Ю. Рен , К. Платцер-Бьоркман , B-типа Дж. Скрэгг, «Переход порядок-беспорядок в Cu 2 ZnSnS 4 и ограничения упорядочения посредством термической обработки», Applied Physics Letters 108:23 (2016) https://doi.org/10.1063/1.4953349
  8. ^ Чен, Шию; Уолш, Арон; Гун, Синь-Гао; Вэй, Су-Хуай (2013). «Классификация дефектов решетки в кестеритовых поглотителях солнечных элементов Cu2ZnSnS4 и Cu2ZnSnSe4» . Продвинутые материалы . 25 (11): 1522–1539. Бибкод : 2013AdM....25.1522C . дои : 10.1002/adma.201203146 . ISSN   1521-4095 . ПМИД   23401176 . S2CID   197381800 .
  9. ^ Кансино Гордильо, Франциско (2 февраля 2023 г.). «Удаление вторичных фаз и его влияние на транспортное поведение наночастиц кестерита Cu2ZnSn1-xGexS4». Прикладная наука о поверхности . 617 : 156617. doi : 10.1016/j.apsusc.2023.156617 . S2CID   256560215 .
  10. ^ Ягуби, Алиреза ; Хао, Сяоцзин (25 февраля 2024 г.). «Полиморфы сульфида меди, цинка и олова: оптоэлектронные свойства и обнаружение с помощью комбинационного рассеяния света» . Solar RRL : 2400010. doi : 10.1002/solr.202400010 .
  11. ^ Ван, Вэй; Винклер, Марк Т.; Гунаван, Оки; Гокмен, Тайфун; Тодоров, Теодор К.; Чжу, Ю; Митци, Дэвид Б. (2014). «Характеристики устройства тонкопленочных солнечных элементов CZTSSe с эффективностью 12,6%» . Передовые энергетические материалы . 4 (7): 1301465. Бибкод : 2014AdEnM...401465W . дои : 10.1002/aenm.201301465 . ISSN   1614-6840 . S2CID   94015059 .
  12. ^ Тодоров, Теодор К.; Рейтер, Кэтлин Б.; Митци, Дэвид Б. (2010). «Высокоэффективный солнечный элемент с поглотителем, обработанным земной жидкостью» . Продвинутые материалы . 22 (20): Е156–Е159. Бибкод : 2010AdM....22E.156T . дои : 10.1002/adma.200904155 . ISSN   1521-4095 . ПМИД   20641095 . S2CID   205235945 .
  13. ^ «Антифриз и дешевые материалы могут привести к дешевой солнечной энергии» . Государственный университет Орегона. 3 июля 2013 г.
  14. ^ Фтенакис, В. (2009). «Устойчивость фотогальваники: аргументы в пользу тонкопленочных солнечных элементов» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 13 (9): 2746–2750. дои : 10.1016/j.rser.2009.05.001 .
  15. ^ Вадиа, К.; Аливисатос, АП; Каммен, DM (2009). «Доступность материалов расширяет возможности крупномасштабного развертывания фотоэлектрических систем». Экологические науки и технологии . 43 (6): 2072–7. Бибкод : 2009EnST...43.2072W . дои : 10.1021/es8019534 . ПМИД   19368216 .
  16. ^ Суванам, Сету Саведа; Ларсен, Джес; Росс, Нильс; Косяк Владимир; Халлен, Андерс; Бьоркман, Шарлотта Платцер (01 октября 2018 г.). «Чрезвычайно радиационно-стойкая тонкая пленка CZTSSee солнечный элемент» . Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 185 : 16–20. дои : 10.1016/j.solmat.2018.05.012 . ISSN   0927-0248 . S2CID   103765304 .
  17. ^ Ниче, Р.; Сарджент, DF; Уайлд, П. (1967). «Рост кристаллов четвертичных халькогенидов I (2) II-IV-VI (4) путем переноса паров йода». Журнал роста кристаллов . 1 (1): 52–53. Бибкод : 1967JCrGr...1...52N . дои : 10.1016/0022-0248(67)90009-7 .
  18. ^ Ито, К.; Наказава, Т. (1988). «Электрические и оптические свойства тонких пленок четверного полупроводника станнитного типа». Японский журнал прикладной физики . 27 (11): 2094–2097. Бибкод : 1988JaJAP..27.2094I . дои : 10.1143/JJAP.27.2094 . S2CID   121027480 .
  19. ^ Фридлмайер, ТМ; Визер, Н.; Уолтер, Т.; Диттрих, Х.; Шок, Х.-В. (1997). «Гетеропереходы на основе Cu 2 ZnSnS 4 и Cu 2 ZnSnSe 4 тонких пленок » . Материалы 14-й Европейской конференции по фотоэлектрической солнечной энергетике .
  20. ^ Катагири, Хиронори; Джимбо, Кадзуо; Мо, Вин Шве; Оиси, Коитиро; Ямадзаки, Макото; Араки, Хидеаки; Такеучи, Акико (2009). «Разработка тонкопленочных солнечных элементов на основе CZTS». Тонкие твердые пленки . 517 (7): 2455–2460. Бибкод : 2009TSF...517.2455K . дои : 10.1016/j.tsf.2008.11.002 .
  21. ^ Ге, Дж.; Чу, Дж.; Цзян, Дж.; Ян, Ю.; Ян, П. (2014). «Характеристики тонкой пленки CZTS с замещением In и двустороннего солнечного элемента». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 6 (23): 21118–21130. дои : 10.1021/am505980n . ПМИД   25340540 .
  22. ^ Ге, Цзе; Ю, Юэ; Кэ, Ли, Цзянь; Ван, Чживэй; Ян, Янфа (2016). . ChemSusChem . 9 . 2149–58 (16) : 2016ЧСЧ...9.2149Г doi : 10.1002 / . PMID   27400033 cssc.201600440
  23. ^ Прабхакар, Теджас; Нагараджу, Дж. (2011). «Влияние диффузии натрия на структурные и электрические свойства тонких пленок Cu 2 ZnSnS 4 ». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 95 (3): 1001–1004. дои : 10.1016/j.solmat.2010.12.012 .
  24. ^ Список рисков 2011. Новый индекс риска поставок химических элементов или групп элементов, имеющих экономическую ценность . Минералы Великобритании
  25. ^ Тодоров, ТК; Рейтер, КБ; Митци, Д.Б. (2010). «Высокоэффективный солнечный элемент с поглотителем, обработанным земной жидкостью». Продвинутые материалы . 22 (20): E156–9. Бибкод : 2010AdM....22E.156T . дои : 10.1002/adma.200904155 . ПМИД   20641095 . S2CID   205235945 .
  26. ^ «Solar Frontier и IBM подписывают соглашение о разработке технологии солнечных батарей CZTS» . Архивировано из оригинала 6 ноября 2010 г. Проверено 23 августа 2012 г.
  27. ^ Тодоров, Теодор; Митци, Дэвид. «Проливая свет на новые горизонты полупроводников для солнечных батарей» . ИБМ . Проверено 22 августа 2012 г.
  28. ^ Раджешмон, В.Г.; Пурнима, Н.; Судха Карта, К.; Виджаякумар, КП (2013). «Модификация оптоэлектронных свойств напыленных тонких пленок In 2 S 3 путем диффузии индия для применения в качестве буферного слоя в солнечных элементах на основе CZTS». Журнал сплавов и соединений . 553 : 239–244. дои : 10.1016/j.jallcom.2012.11.106 .
  29. ^ Ван, В.; Винклер, Монтана; Гунаван, О.; Гокмен, Т.; Тодоров, ТК; Чжу, Ю.; Митци, Д.Б. (2013). «Характеристики устройства тонкопленочных солнечных элементов CZTSSe с эффективностью 12,6%». Передовые энергетические материалы . 4 (7): 1301465. Бибкод : 2014AdEnM...401465W . дои : 10.1002/aenm.201301465 . S2CID   94015059 .
  30. ^ Патель, Сиддхант Б.; Патель, Амар Х.; Гохель, Джигнаса В. (05 декабря 2018 г.). «Новый и экономически эффективный материал CZTS для переноса дырок, применяемый в перовскитных солнечных элементах» . CrystEngComm . 20 (47): 7677–7687. дои : 10.1039/C8CE01337C . ISSN   1466-8033 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • Джонатан Дж. Скрэгг (2011). Тонкие пленки сульфида меди, цинка и олова для фотогальваники: синтез и исследование электрохимическими методами . Спрингер. ISBN  978-3-642-22918-3 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: b3d15d8ee010c72de502800bb70b4917__1721863200
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/b3/17/b3d15d8ee010c72de502800bb70b4917.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
CZTS - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)