CZTS - CZTS - Wikipedia

CZTS
Икс
Кристаллическая структура CZTS. Оранжевый: Cu, серый: Zn / Fe, синий: Sn, желтый: S.
Имена
Другие имена
сульфид меди цинка олова
Идентификаторы
Характеристики
Cu2ZnSnS4
Молярная масса439,471 г / моль
ВнешностьЗеленовато-черные кристаллы
Плотность4,56 г / см3[1]
Температура плавления 990 ° С (1810 ° F, 1260 К)[4]
Ширина запрещенной зоны1,4–1,5 эВ[2][3]
Структура
Тетрагональный[1]
а = 0,5435 нм, c = 1,0843 нм, Z = 2
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Ссылки на инфобоксы

Медь цинк банка сульфид (CZTS) представляет собой четвертичное полупроводниковое соединение, которое с конца 2000-х годов привлекает все больший интерес для применения в тонкопленочные солнечные элементы. В класс сопутствующих материалов входят другие I2-II-IV-VI4 такие как селенид меди, цинка и олова (CZTSe) и серно-селеновый сплав CZTSSe. CZTS предлагает благоприятные оптические и электронные свойства, аналогичные CIGS (селенид галлия индия меди ), что делает его хорошо подходящим для использования в качестве тонкопленочного слоя поглотителя солнечных элементов, но в отличие от CIGS (или другие тонкие пленки, такие как CdTe ), CZTS состоит только из обильных и нетоксичных элементов. Обеспокоенность ценой и доступностью индий в CIGS и теллур в CdTe, а также токсичность кадмий были большим мотиватором для поиска альтернативы тонкопленочный солнечный элемент материалы. Эффективность преобразования энергии у CZTS все еще значительно ниже, чем у CIGS и CdTe, с данными лабораторных ячеек 11,0% для CZTS и 12,6% для CZTSSe по состоянию на 2019 год..[5]

Кристальная структура

CZTS - это я2-II-IV-VI4 четвертичное соединение. От халькопирит В структуре CIGS можно получить CZTS, заменив трехвалентный In / Ga на двухвалентный Zn и четвертый валентный Sn, который образуется в кестерит структура.

В некоторых литературных источниках CZTS идентифицированы в соответствующих станнит структура, но условия, при которых может возникнуть структура станнита, еще не ясны. Расчеты из первых принципов показывают, что энергия кристалла для станнита всего на 2,86 мэВ / атом выше, чем для структуры кестерита, что позволяет предположить, что обе формы могут сосуществовать.[6] Структурное определение (с помощью таких методов, как дифракция рентгеновских лучей ) препятствует беспорядок катионов Cu-Zn, которые являются наиболее распространенным дефектом, как предсказывают теоретические расчеты и подтверждают рассеяние нейтронов. Почти случайное упорядочение Cu и Zn может привести к неправильной идентификации структуры. Теоретические расчеты предсказывают, что беспорядок катионов Cu-Zn приведет к потенциальным колебаниям в CZTS и, следовательно, может стать причиной большого дефицита напряжения холостого хода, основного узкого места современных устройств CZTS. Расстройство можно уменьшить с помощью температурных процедур. Однако сами по себе другие температурные обработки не могут дать высоко упорядоченных CZTS.[7] Для уменьшения этого дефекта необходимо разработать другие стратегии, такие как настройка состава CZTS.

Свойства материала

Концентрации носителей и коэффициент поглощения CZTS аналогичны CIGS. Другие свойства, такие как время жизни носителей (и соответствующая длина диффузии), низкие (менее 9 нс) для CZTS. Такое низкое время жизни носителей может быть связано с высокой плотностью активных дефектов или рекомбинацией на границах зерен.

Многие вторичные фазы возможны в четверных соединениях, таких как CZTS, и их присутствие может повлиять на характеристики солнечного элемента. Вторичные фазы могут обеспечивать шунтирующие пути тока через солнечный элемент или действовать как центры рекомбинации, что ухудшает характеристики солнечного элемента. Из литературы следует, что все вторичные фазы оказывают пагубное влияние на производительность CZTS, и многие из них трудно обнаружить и обычно присутствуют. Общие фазы включают ZnS, SnS, CuS и Cu.2SnS3. Выявление этих фаз сложно традиционными методами, такими как дифракция рентгеновских лучей (XRD) из-за перекрытия пиков ZnS и Cu2SnS3 с CZTS. Другие методы, такие как Рамановское рассеяние исследуются, чтобы помочь охарактеризовать CZTS.

Изготовление

CZTS был приготовлен различными вакуумными и невакуумными методами. В основном они отражают успехи CIGS, хотя оптимальные условия производства могут отличаться. В широком смысле методы можно разделить на следующие категории: вакуумное осаждение по сравнению с невакуумным и одностадийное по сравнению с методами реакции сульфизации / селенизации. Вакуумные методы являются доминирующими в современной индустрии CIGS, но в последнее десятилетие наблюдается рост интереса и прогресс в невакуумных процессах из-за их потенциально более низких капитальных затрат и гибкости для нанесения покрытия на большие площади.

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

В Университете штата Орегон был разработан непрерывный поточный процесс с использованием этиленгликоля в качестве растворителя, который может быть пригоден для массового производства в промышленных масштабах.[8]

Мотивация к развитию

CIGS и CdTe являются двумя из самых многообещающих тонкопленочных солнечных элементов, и в последнее время они добились растущего коммерческого успеха. Несмотря на продолжающееся быстрое снижение затрат, высказывались опасения по поводу цены и доступности материалов, а также токсичности. Хотя текущие затраты на материалы составляют небольшую часть от общей стоимости солнечных элементов, продолжающийся быстрый рост тонкопленочных солнечных элементов может привести к увеличению стоимости материалов и ограничению предложения.

Для CIGS спрос на индий растет из-за быстрого расширения оксид индия и олова (ITO) используется в дисплеях с плоским экраном и мобильных устройствах. Спрос в сочетании с ограниченным предложением помогли ценам быстро подняться до уровня более 1000 долларов за килограмм до начала мировой рецессии. Хотя переработка 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 предстоящие десятилетия, если спрос будет продолжать расти при ограниченном предложении. Индий существует в основном в месторождениях руды с низкой концентрацией и поэтому добывается в основном как побочный продукт при добыче цинка. Прогнозы роста, основанные на многих предположениях, предполагают, что предложение индия может ограничить производство CIGS в пределах 17–106 ГВт / год в 2050 году.[9] Теллура даже меньше, чем индия, хотя спрос на него также был исторически ниже. Содержание теллура в земной коре аналогично содержанию золота, и прогнозы будущей доступности колеблются от 19 до 149 ГВт / год в 2050 году.

CZTS (Cu2ZnSnS4) предлагает облегчить материальные узкие места, присутствующие в CIGS (и CdTe). CZTS похож на халькопирит структура CIGS, но использует только элементы с избытком земли. Сырье примерно в пять раз дешевле, чем сырье для CIGS, а оценки мировых запасов материалов (Cu, Sn, Zn и S) показывают, что мы могли бы производить достаточно энергии, чтобы обеспечить мир, используя лишь 0,1% имеющихся ресурсов сырья.[10] Кроме того, CZTS нетоксичен, в отличие от CdTe и, в меньшей степени, CIGS (хотя селен иногда сплавлен с 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.[11]

Развитие солнечных батарей

CZTS был впервые создан в 1966 году.[12] и позже было показано, что в 1988 году он проявляет фотоэлектрический эффект.[13] Солнечные элементы CZTS с эффективностью до 2,3% были зарегистрированы в 1997 году, как и устройства CZTSe.[14] Эффективность солнечных элементов в CZTS была увеличена до 5,7% в 2005 году за счет оптимизации процесса осаждения.[15] Недавно в 2014 году было сообщено о 3,4% двустороннем устройстве, использующем замещенный In CZTS (CZTIS) абсорбирующий материал и прозрачный проводящий задний контакт.[16] которые могут создавать фототок по обе стороны от освещения; позже эффективность устройства на основе этой двусторонней конфигурации была повышена до 5,8% в 2016 году.[17] Кроме того, было продемонстрировано, что натрий оказывает улучшающее воздействие на структурные и электрические свойства слоев поглотителя CZTS.[18] Эти улучшения, наряду с началом производства CIGS в промышленных масштабах в середине 2000-х годов, стимулировали исследовательский интерес к CZTS и родственным соединениям.

С 1988 года CZTS рассматривалась как альтернатива CIGS для коммерческих систем солнечных батарей. Преимущество CZTS - отсутствие относительно редкого и дорогого элемента. индий. В Британская геологическая служба Список рисков 2011 дал индию «индекс относительного риска предложения» 6,5, где максимальное значение составляло 8,5.[19]

В 2010 году в устройстве CZTS была достигнута эффективность преобразования солнечной энергии около 10%.[20] Технология CZTS сейчас разрабатывается несколькими частными компаниями.[21] В августе 2012 года IBM объявила о разработке солнечного элемента CZTS, способного преобразовывать 11,1% солнечной энергии в электричество.[22]

В 2013 году Раджешмон и др. сообщил об эффективности 1,85% на распыленном пиролизе CZTS / In2S3 солнечная батарея.[23]

В ноябре 2013 года японская компания по производству тонкопленочных солнечных батарей Солнечная граница объявил, что в совместном исследовании с IBM и Токио Ока Когио (TOK) они разработали солнечную батарею CZTSSe, которая установила мировой рекорд, с эффективностью преобразования энергии 12,6%.[24]

Дэвид Митци и солнечные батареи CZTS

Дэвид Митци - американский ученый, который работал над солнечными элементами CZTS с тех пор, как работал в IBM. Он является наиболее признанным ученым, владеющим несколькими рекордными показателями эффективности солнечных элементов CZTS, включая последнее достижение IBM CZTSSe - 12,6%.[24]

Рекомендации

  1. ^ а б Guen, L .; Glaunsinger, W.S. (1980). «Электрические, магнитные и ЭПР исследования четвертичных халькогенидов Cu2АIIBIVИкс4 приготовлено йодным транспортом ». Журнал химии твердого тела. 35 (1): 10–21. Bibcode:1980ЖСЩ..35 ... 10Г. Дои:10.1016/0022-4596(80)90457-0.
  2. ^ Ичимура, Масая; Накашима, Юки (2009). «Анализ атомной и электронной структуры Cu2ZnSnS4 На основе расчета из первых принципов ". Японский журнал прикладной физики. 48 (9): 090202. Bibcode:2009JaJAP..48i0202I. Дои:10.1143 / JJAP.48.090202.
  3. ^ Катагири, Хиронори; Сайто, Котоэ; Васио, Цукаса; Шинохара, Хироюки; Курумадани, Томоми; Миядзима, Синсукэ (2001). «Разработка тонкопленочных солнечных элементов на основе Cu2ZnSnS4 тонкие пленки ». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 65: 141–148. Дои:10.1016 / S0927-0248 (00) 00088-X.
  4. ^ Matsushita, H .; Итикава, Т .; Кацуи, А. (2005). «Структурные, термодинамические и оптические свойства Cu2-II-IV-VI4 четвертичные соединения ». Журнал материаловедения. 40 (8): 2003–2005. Bibcode:2005JMatS..40. 2003M. Дои:10.1007 / s10853-005-1223-5.
  5. ^ Грини, Сигбьёрн (2019). Градиент запрещенной зоны и примеси в солнечных элементах Cu2ZnSnS4 (Кандидатская диссертация). Университет Осло.
  6. ^ Chen, S .; Гонг, X. G .; Уолш, А .; Вэй, С.-Х. (2009). «Кристаллическая и электронная зонная структура Cu2ZnSnX4 (X = S и Se) фотоэлектрические поглотители: выводы из первых принципов " (PDF). Письма по прикладной физике. 94 (4): 041903. Bibcode:2009ApPhL..94d1903C. Дои:10.1063/1.3074499.
  7. ^ К. Рудиш, Ю. Рен, К. Платцер-Бьёркман, Дж. Скрэгг, "Переход порядок-беспорядок в меди B-типа".2ZnSnS4 и ограничения при заказе термообработки », Applied Physics Letters 108: 23 (2016) https://doi.org/10.1063/1.4953349
  8. ^ «Антифриз, дешевые материалы могут привести к дешевой солнечной энергии». Государственный университет Орегона. 3 июля 2013 г.
  9. ^ Фтенакис, В. (2009). «Устойчивость фотоэлектрических систем: случай для тонкопленочных солнечных элементов» (PDF). Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 13 (9): 2746–2750. Дои:10.1016 / j.rser.2009.05.001.
  10. ^ Wadia, C .; Alivisatos, A. P .; Каммен, Д. М. (2009). «Доступность материалов расширяет возможности для крупномасштабного развертывания фотоэлектрических систем». Экологические науки и технологии. 43 (6): 2072–7. Bibcode:2009EnST ... 43.2072W. Дои:10.1021 / es8019534. PMID  19368216.
  11. ^ Суванам, Сетху Саведа; Ларсен, Джес; Росс, Нильс; Косяк, Владимир; Халлен, Андерс; Бьоркман, Шарлотта Платцер (01.10.2018). "Экстремальный радиационно жесткий тонкопленочный солнечный элемент CZTSSe". Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 185: 16–20. Дои:10.1016 / j.solmat.2018.05.012. ISSN  0927-0248.
  12. ^ Nitsche, R .; Сарджент, Д. Ф .; Уайлд, П. (1967). «Рост кристаллов четвертичных I (2) II-IV-VI (4) халькогенидов путем переноса паров йода». Журнал роста кристаллов. 1 (1): 52–53. Bibcode:1967JCrGr ... 1 ... 52N. Дои:10.1016/0022-0248(67)90009-7.
  13. ^ Ито, К .; Накадзава, Т. (1988). "Электрические и оптические свойства тонких пленок четверных полупроводников станнита". Японский журнал прикладной физики. 27 (11): 2094–2097. Bibcode:1988JaJAP..27.2094I. Дои:10.1143 / JJAP.27.2094.
  14. ^ Friedlmeier, T. M .; Wieser, N .; Уолтер, Т .; Dittrich, H .; Schock, H.-W. (1997). «Гетеропереходы на основе Cu2ZnSnS4 и Cu2ZnSnSe4 тонкие пленки ". Труды 14-й Европейской конференции по фотоэлектрической солнечной энергии.
  15. ^ Катагири, Хиронори; Джимбо, Кадзуо; Мо, Вин Шве; Оиси, Коитиро; Ямазаки, Макото; Араки, Хидеаки; Такеучи, Акико (2009). «Разработка тонкопленочных солнечных элементов на основе CZTS». Тонкие твердые пленки. 517 (7): 2455–2460. Bibcode:2009TSF ... 517.2455K. Дои:10.1016 / j.tsf.2008.11.002.
  16. ^ Ge, J .; Chu, J .; Jiang, J .; Ян, Ю .; Ян П. (2014). «Характеристики In-замещенной тонкой пленки CZTS и двусторонних солнечных элементов». Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 6 (23): 21118–21130. Дои:10.1021 / am505980n. PMID  25340540.
  17. ^ Ге, Джи; Ю, Юэ; Кэ, Вэйцзюнь; Ли, Цзянь; Тан, Синсюань; Ван, Чживэй; Чу, Цзюньхао; Ян, Янфа (2016). «Улучшенные характеристики гальванических тонкопленочных солнечных элементов CZTS с двусторонней конфигурацией». ChemSusChem. 9 (16): 2149–58. Дои:10.1002 / cssc.201600440. PMID  27400033.
  18. ^ Прабхакар, Теджас; Нагараджу, Дж. (2011). «Влияние диффузии натрия на структурные и электрические свойства Cu2ZnSnS4 тонкие пленки ». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 95 (3): 1001–1004. Дои:10.1016 / j.solmat.2010.12.012.
  19. ^ Список рисков 2011. Новый индекс риска поставок для химических элементов или групп элементов, имеющих экономическую ценность.. Минералы Великобритании
  20. ^ Тодоров, Т. К .; Reuter, K. B .; Митци, Д. Б. (2010). «Высокоэффективный солнечный элемент с обильным на Земле поглотителем жидкости». Современные материалы. 22 (20): E156–9. Дои:10.1002 / adma.200904155. PMID  20641095.
  21. ^ «Solar Frontier и IBM подписали соглашение о разработке технологии солнечных батарей CZTS». Архивировано из оригинал на 2010-11-06. Получено 2012-08-23.
  22. ^ Тодоров, Теодор; Митци, Дэвид. «Освещая новые горизонты полупроводников солнечных элементов». IBM. Получено 22 августа 2012.
  23. ^ Раджешмон, В.Г .; Poornima, N .; Sudha Kartha, C .; Виджаякумар, К. (2013). «Модификация оптоэлектронных свойств напыляемого In2S3 тонкие пленки 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.
  24. ^ а б Wang, W .; Winkler, M.T .; Gunawan, O .; Гокмен, Т .; Тодоров, Т. К .; Zhu, Y .; Митци, Д. Б. (2013). «Характеристики устройства тонкопленочных солнечных элементов CZTSSe с КПД 12,6%». Современные энергетические материалы. 4 (7): 1301465. Дои:10.1002 / aenm.201301465.

дальнейшее чтение

  • Джонатан Дж. Скрэгг (2011). Тонкие пленки сульфида меди, цинка и олова для фотовольтаики: синтез и определение характеристик электрохимическими методами. Springer. ISBN  978-3-642-22918-3.