CZTS - CZTS

CZTS
x
CZTS kristal yapısı. Turuncu: Cu, gri: Zn/Fe, mavi: Sn, sarı: S.
İsimler
Diğer isimler
bakır çinko kalay sülfür
tanımlayıcılar
Özellikler
Cu 2 ZnSnS 4
Molar kütle 439.471 g/mol
Dış görünüş Yeşilimsi siyah kristaller
Yoğunluk 4.56 g / cc 3.
Erime noktası 990 °C (1.810 °F; 1.260 K)
Bant boşluğu 1,4–1,5 eV
Yapı
dörtgen
a  = 0,5435 nm, c = 1,0843 nm, Z = 2
Aksi belirtilmedikçe, veriler standart durumdaki malzemeler için verilmiştir (25 °C [77 °F], 100 kPa'da).
Bilgi kutusu referansları

Bakır çinko kalay sülfür ( CZTS ), ince film güneş pillerindeki uygulamalar için 2000'li yılların sonlarından beri artan ilgi gören bir kuaterner yarı iletken bileşiktir. İlgili malzeme sınıfına diğer I içeren 2 -II-IV-VI 4 bakır, çinko kalay selenit (CZTSe) ve CZTSSe alaşımlı kükürt selenyum. CIGS (benzer CZTS teklifleri uygun optik ve elektronik özelliklerini bakır indiyum, galyum selenür yapma) de katmanın, absorbe edici bir ince film güneş hücresi olarak kullanılmak üzere uygun, ama farklı olarak CIGS (ya da diğer ince filmler CdTe ), CZTS oluşmaktadır sadece bol ve toksik olmayan elementler. Fiyat ve kullanılabilirliği ile endişeler indiyum CIGS ve tellür CdTe içinde, hem de toksisite kadmiyum alternatif aramak için büyük bir motivasyon olmuştur ince film güneş pili malzemeleri. CZTS'nin güç dönüştürme verimliliği, 2019 itibariyle CZTS için %11,0 ve CZTSSe için %12,6 laboratuvar hücre kayıtları ile CIGS ve CdTe'den hala önemli ölçüde düşüktür.

Kristal yapı

CZTS bir I 2 -II-IV-VI 4 kuaterner bileşik. Kaynaktan kalkopirit CIGS yapısı, başka bir deyişle içerisinde formları bir bivalent Zn ve IV-valent Sn ile / Ga olarak üç değerlikli ikame edilmesiyle CZTS elde edebilirsiniz kesterite yapı.

Bazı literatür raporları, ilgili stannit yapısında CZTS'yi tanımlamıştır , ancak bir stannit yapısının oluşabileceği koşullar henüz net değildir. İlk prensip hesaplamaları, kristal enerjisinin stannit için kesterit yapıdan sadece 2.86 meV/atom daha yüksek olduğunu göstermektedir, bu da her iki formun bir arada var olabileceğini düşündürmektedir. Yapısal belirleme ( X-ışını kırınımı gibi teknikler yoluyla ), teorik hesaplamalarla tahmin edildiği ve nötron saçılmasıyla doğrulandığı gibi en yaygın kusur olan Cu-Zn katyonlarının düzensizliği tarafından engellenir. Cu ve Zn'nin rastgele sıralanması yapının yanlış tanımlanmasına yol açabilir. Teorik hesaplamalar, Cu-Zn katyonlarının düzensizliğinin CZTS'de potansiyel dalgalanmalara yol açmasını öngörür ve bu nedenle, son teknoloji ürünü CZTS cihazlarının ana dar boğazı olan büyük açık devre voltaj açığının nedeni olabilir. Bozukluk sıcaklık tedavileri ile azaltılabilir. Bununla birlikte, diğer sıcaklık işlemleri tek başına yüksek derecede düzenli CZTS üretebilecek gibi görünmemektedir. Bu kusuru azaltmak için CZTS bileşiminin ayarlanması gibi başka stratejilerin geliştirilmesi gerekir.

Malzeme özellikleri

CZTS'nin taşıyıcı konsantrasyonları ve absorpsiyon katsayısı CIGS'ye benzer. Taşıyıcı ömrü (ve ilgili difüzyon uzunluğu) gibi diğer özellikler CZTS için düşüktür (9 ns'nin altında). Bu düşük taşıyıcı ömrü, yüksek yoğunluktaki aktif kusurlardan veya tane sınırlarındaki rekombinasyondan kaynaklanabilir. Çinko-bakır antisit kusurlarının düşük kusur oluşum enerjileri ve bakır boşlukları nedeniyle CZTS'de kusur oluşumu yaygındır . Bu kusurlar, kristal yapıda, yük eşitsizliğinin etkin bir şekilde nötr hale gelmesini telafi eden farklı kusurların toplanmasıyla dengelenen 'etkili' yük oluşturur. Sonuç olarak, rekombinasyonu sağlayan elektron yakalama durumları oluşur. Derin seviyeli kusur durumlarına sahip olmak, bir CZTS güneş pilinin açık devre voltajını ve dönüşüm verimliliğini düşürür.

CZTS gibi kuaterner bileşiklerde birçok ikincil faz mümkündür ve bunların varlığı güneş pili performansını etkileyebilir. İkincil fazlar, güneş pili boyunca şönt akım yolları sağlayabilir veya her ikisi de güneş pili performansını düşüren rekombinasyon merkezleri olarak işlev görebilir. Literatürden, tüm ikincil fazların CZTS performansı üzerinde zararlı bir etkisi olduğu ve bunların birçoğunun hem tespit edilmesi zor hem de yaygın olarak mevcut olduğu görülmektedir. Yaygın fazlar arasında ZnS, SnS, CuS ve Cu 2 SnS 3 bulunur . Bu fazların tanımlanması gibi geleneksel yöntemler ile zorlu X-ışını kırınımı nedeniyle ZnS ve Cu tepe örtüşmeye (XRD) 2 SNS 3 CZTS ile. CZTS'yi karakterize etmeye yardımcı olmak için Raman saçılması gibi diğer yöntemler araştırılmaktadır.

Yapılışı

CZTS, çeşitli vakumlu ve vakumsuz tekniklerle hazırlanmıştır. Optimum üretim koşulları farklılık gösterse de, çoğunlukla CIGS ile başarılı olanı yansıtırlar. Yöntemler genel olarak vakumlu biriktirme ve vakumsuz ve tek adımlı ve sülfizasyon/selenizasyon reaksiyonu yöntemleri olarak kategorize edilebilir. Mevcut CIGS endüstrisinde vakuma dayalı yöntemler baskındır, ancak son on yılda, potansiyel düşük sermaye maliyetleri ve geniş alanları kaplama esnekliği nedeniyle vakumsuz süreçlere artan ilgi ve ilerleme olmuştur.

Kayıt tutma tarafından oluşturulan, solar hücre CZTS kaplama Spin bir hidrazin merkezli bir bulamaç. İndirgeyici karakteri nedeniyle hidrazin, karışıma yabancı maddeler eklemeden çözeltideki sülfür ve selenid anyonlarını stabilize edebilir. Kusur oluşumunu önlemek için bakırdan fakir ve çinkoca zengin çözeltiler kullanıldı.

CZTS ve ilgili alaşımların üretimi için özel bir zorluk, reaksiyon koşulları altında buharlaşabilen belirli elementlerin (Zn ve SnS) uçuculuğudur. CZTS bir kez oluştuktan sonra, element uçuculuğu daha az sorun yaratır, ancak o zaman bile CZTS 500 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda vakumda ikili ve üçlü bileşiklere ayrışır. Bu uçuculuk ve tek fazlı bir malzeme hazırlamanın zorluğu, birçok geleneksel vakum yönteminin başarısı ile sonuçlanmıştır. Şu anda en iyi CZTS cihazları, uçuculuk problemlerinden kaçınarak düşük sıcaklıklarda CZTS oluşumuna izin veren belirli kimyasal yöntemlerle elde edilmiştir.

Oregon Eyalet Üniversitesi'nde, endüstriyel ölçekte seri üretim için uygun olabilecek, solvent olarak etilen glikol kullanan sürekli bir akış prosesi geliştirilmiştir.

Gelişim için motivasyon

CIGS ve CdTe , en umut verici ince film güneş pillerinden ikisidir ve son zamanlarda artan ticari başarı elde etmişlerdir. Devam eden hızlı maliyet düşüşüne rağmen, malzeme fiyatı ve mevcudiyetinin yanı sıra toksisite ile ilgili endişeler dile getirildi. Mevcut malzeme maliyetleri, toplam güneş pili maliyetinin küçük bir kısmı olmasına rağmen, ince film güneş pillerinin devam eden hızlı büyümesi, artan malzeme fiyatlarına ve sınırlı arza yol açabilir.

CIGS için, düz ekranlarda ve mobil cihazlarda kullanılan indiyum kalay oksitin (ITO) hızlı genişlemesi nedeniyle indiyum artan talebe tabi olmuştur . Sınırlı arz ile birleşen talep, fiyatların küresel durgunluktan önce hızla 1000$/kg'ın üzerine çıkmasına yardımcı oldu. Bir CIGS güneş pili üretme maliyetlerinin çoğunluğunu işleme ve sermaye ekipmanı oluştururken, hammadde fiyatı gelecekteki maliyetlerin alt sınırıdır ve sınırlı arz ile talep artmaya devam ederse, önümüzdeki on yıllarda sınırlayıcı bir faktör olabilir. İndiyum çoğunlukla düşük konsantrasyonlu cevher yataklarında bulunur ve bu nedenle esas olarak çinko madenciliğinin bir yan ürünü olarak elde edilir. Birçok varsayıma dayanan büyüme tahminleri, indiyum arzının 2050'de CIGS üretimini 17–106 GW/yıl aralığıyla sınırlayabileceğini öne sürüyor. Talebin tarihsel olarak daha düşük olmasına rağmen Tellür, indiyumdan bile daha kıt. Yerkabuğundaki tellür bolluğu altına benzer ve gelecekteki kullanılabilirlik projeksiyonları 2050'de 19 ila 149 GW/yıl aralığındadır.

CZTS (Cu 2 ZnSnS 4 ), CIGS'de (ve CdTe'de ) mevcut malzeme darboğazlarını hafifletmeyi teklif eder. CZTS, CIGS'nin kalkopirit yapısına benzer, ancak yalnızca toprakta bol miktarda element kullanır. Hammaddeler CIGS için olanlardan yaklaşık beş kat daha ucuzdur ve küresel malzeme rezervlerinin (Cu, Sn, Zn ve S için) tahminleri, mevcut hammadde kaynaklarının yalnızca %0,1'i ile dünyaya güç sağlamak için yeterli enerjiyi üretebileceğimizi göstermektedir. Ek olarak, CZTS, CdTe ve daha az ölçüde CIGS'den farklı olarak toksik değildir (ancak selenyum bazen CZTS ile alaşımlanır ve bazen n-tipi bağlantı ortağı olarak CdS kullanılır). Bu ekonomik ve çevresel faydalarına ek olarak, CZTS, diğer fotovoltaik malzemelerden çok daha fazla radyasyon sertliği sergileyerek uzayda kullanım için mükemmel bir adaydır.

Güneş pillerinin gelişimi

CZTS ilk olarak 1966'da yaratıldı ve daha sonra 1988'de fotovoltaik etki gösterdiği gösterildi. 1997'de CZTSe cihazlarının yanı sıra %2,3'e varan verimliliğe sahip CZTS güneş pilleri rapor edildi. CZTS'deki güneş pili verimliliği, biriktirme prosesi optimize edilerek 2005 yılında %5,7'ye yükseltildi. Son zamanlarda, In sübstitüe CZTS (CZTIS) emici malzeme ve şeffaf iletken arka temas kullanan %3.4 çift yüzeyli bir cihaz 2014'te rapor edildi, bu aydınlatmanın her iki tarafında da fotoakım üretebilir; daha sonra, bu iki yüzeyli konfigürasyona dayalı cihaz verimliliği 2016 yılında %5,8'e yükseltilmiştir. Ek olarak, sodyumun CZTS emici katmanların yapısal ve elektriksel özellikleri üzerinde iyileştirici bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir. Bu gelişmeler, 2000'lerin ortalarında ticari ölçekte CIGS üretiminin başlamasıyla birlikte, CZTS ve ilgili bileşiklere yönelik araştırma ilgisini katalize etti.

1988'den beri CZTS, ticari güneş pili sistemleri için CIGS'ye bir alternatif olarak kabul edildi. CZTS'nin avantajı, nispeten nadir ve pahalı element olan indiyumun olmamasıdır . İngiliz Jeolojik Araştırmalar Risk Listesi 2011 maksimum 8.5 idi 6.5 "göreli tedarik riski endeksi", indiyum verdi.

2010 yılında bir CZTS cihazında yaklaşık %10'luk bir güneş enerjisi dönüşüm verimliliği elde edilmiştir. CZTS teknolojisi şu anda birkaç özel şirket tarafından geliştirilmektedir. Ağustos 2012'de IBM, güneş enerjisinin %11,1'ini elektriğe dönüştürebilen CZTS güneş pili geliştirdiklerini duyurdu.

2013 yılında Rajeshmon ve ark. spreyle pirolizli CZTS/In 2 S 3 güneş pilinde %1,85 verimlilik bildirdi .

Kasım 2013'te, Japon ince film güneş enerjisi şirketi Solar Frontier , IBM ve Tokyo Ohka Kogyo (TOK) ile ortak araştırmalarında, %12,6 enerji dönüşüm verimliliği ile dünya rekoru kıran bir CZTSSe güneş pili geliştirdiklerini duyurdu.

2018'de, CZTS nanoparçacıkları, cihaz stabilitesini ve satın alınabilirliğini artırma yöntemi olarak perovskite güneş pilleri için bir delik taşıma katmanı olarak kullanıldı ve rapor edilen %9,66 dönüşüm verimliliği sağladı.

Referanslar

daha fazla okuma

  • Jonathan J. Scragg (2011). Fotovoltaikler için Bakır Çinko Kalay Sülfür İnce Filmler: Elektrokimyasal Yöntemlerle Sentez ve Karakterizasyon . Springer. ISBN'si 978-3-642-22918-3.