CZTS

CZTS
CZTS
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CZTS 결정 구조.주황색:Cu, 회색: Zn/Fe, 파란색: Sn, 노란색: S.
이름
기타 이름
황화 구리 아연 주석
식별자
특성.
Cu2ZnSnS4
어금질량 439.471 g/190
외관 녹색을 띤 블랙 크리스털
밀도 4.56 g/cm3[1]
녹는점 990°C(1,810°F, 1,260K)[4]
밴드갑 1.4–1.5 eV[2][3]
구조
4각형[1]
a = 0.5435nm, c = 1.0843nm, Z = 2
달리 명시된 경우를 제외하고, 표준 상태(25°C [77°F], 100 kPa)의 재료에 대한 데이터가 제공된다.

CZTS(Copper anythin sulfide, CZTS)는 4차 반도체 화합물로, 2000년대 후반부터 박막 태양전지에 응용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다.관련 자료 등을 강의 구리 아연 주석 셀렌화(CZTSe)과 alloy CZTSSe.CZTS,도 박막 태양 전지 absorber계층으로 사용이 매우 적합하고 유리한 및 전자 광학적 성질 CIGS(구리 인듐 갈륨 셀렌화)과 비슷한 제공하는 sulfur-selenium 같은지만, 다른 I2-II-IV-VI4을 포함한다 CIGS(또는 다른 얇은 fil.ms CdTe와 같은 CZTS는 풍부하고 독성이 없는 요소들로만 구성되어 있다.카드뮴 독성은 물론 CIGS와 CdTe 텔루륨의 인듐 가격과 가용성에 대한 우려가 대체 박막 태양전지 소재를 찾는 큰 동기부여가 됐다.CZTS의 전력 변환 효율은 CZTS의 경우 11.0%, CZTSSe의 경우 12.6%의 실험실 셀 기록이 2019년 기준인 CZTS와 CdTe에 비해 여전히 상당히 낮다.[5]

결정구조

CZTS는 I-II-IV-VI24 쿼터너리 화합물이다.찰카피라이트 CIGS 구조에서 CZ를 얻을 수 있다.TS 3가 인/가(In/Ga)를 케스테라이트 구조에서 형성되는 2가(bivalent) Zn과 IV(V-valent) Sn으로 대체한다.

일부 문헌 보고서는 관련 스탠나이트 구조에서 CZTS를 확인했지만 스탠나이트 구조가 발생할 수 있는 조건은 아직 명확하지 않다.첫 번째 원리의 계산은 두 형태가 공존할 수 있다는 것을 암시하는 케스터이트 구조보다 스탠나이트의 결정 에너지가 2.86 meV/원자보다 더 높다는 것을 보여준다.[6](X선 회절과 같은 기법을 통해) 구조적 결정은 이론적 계산에 의해 예측되고 중성자 산란으로 확인되는 가장 일반적인 결점인 Cu-Zn 양이온의 장애에 의해 방해된다.Cu와 Zn의 거의 무작위 순서는 구조물의 잘못된 식별을 초래할 수 있다.이론적 계산은 Cu-Zn 양이온의 장애를 예측하여 CZTS의 잠재적 변동을 유발할 수 있으며, 따라서 첨단 CZTS 장치의 주 병 넥인 큰 개방 회로 전압 결함의 원인이 될 수 있다.그 장애는 온도 치료로 줄일 수 있다.그러나 다른 온도 치료법만으로는 고주문 CZTS를 산출할 수 없을 것으로 보인다.[7]CZTS 구성의 조정과 같은 이 결함을 줄이기 위한 다른 전략들이 개발될 필요가 있다.

재료 특성

CZTS의 캐리어 농도 및 흡수 계수는 CIGS와 유사하다.CZTS의 경우 반송파 수명(및 관련 확산 길이)과 같은 기타 특성이 낮다(9ns 미만).이 낮은 운송 회사 수명은 곡물 경계에서 활성 결함의 높은 밀도 또는 재조합 때문일 수 있다.CZTS의 결함 형성은 아연-코퍼 항성 결함과 구리 결함의 낮은 결함 형성에너지로 인해 널리 퍼져있다.[8]이러한 결함은 결정 구조에 '유효한' 전하를 생성하는데, 이는 전하 차이를 보상하는 여러 결함의 집합에 의해 안정되어 효과적으로 중립이 된다.그 결과 전자트래핑 상태가 형성되어 재조합이 가능하다.깊은 수준의 결함 상태를 가지면 CZTS 태양전지의 개방 회로 전압과 변환 효율이 낮아진다.

CZTS와 같은 2차 화합물에서는 많은 2차 단계가 가능하며 그 존재는 태양전지 성능에 영향을 미칠 수 있다.2차 단계는 태양 전지를 통과하는 전류 경로를 제공하거나 태양 전지 성능을 저하시키는 재결합 중심 역할을 할 수 있다.문헌을 보면, 모든 2차 단계가 CZTS 성능에 해로운 영향을 미치는 것으로 보이며, 그 중 다수는 검출하기 어렵고 일반적으로 존재한다.공통 페이즈로는 ZnS, SnS, CuS, CuSnS가23 있다.ZnS와 CuSnS의23 피크 오버랩으로 인해 X선 회절(XRD)과 같은 전통적인 방법으로는 이러한 단계의 식별이 어렵다.라만 산란과 같은 다른 방법들은 CZTS의 특성화를 돕기 위해 탐구되고 있다.

제작

CZTS는 다양한 진공 기법과 비진공 기법에 의해 준비되었다.최적의 제작 조건은 다를 수 있지만, 그들은 대부분 CIGS로 성공한 것을 반영한다.방법은 크게 진공 증착 대 비진공 대 1단계 대 황화/셀린화 반응법으로 분류할 수 있다.현재 CIGS 산업에서는 진공 기반 방식이 우세하지만, 지난 10년 동안 자본 비용이 낮아지고 대규모 영역을 코팅할 수 있는 유연성이 높아져 비진공 프로세스에 대한 관심과 진전이 있었다.

기록 보유 CZTS 태양 전지는 히드라진 기반의 슬러리(slurry)를 스핀 코팅하여 만든다.[9]히드라진은 감소하는 특성 때문에 혼합물에 불순물을 첨가하지 않고도 황화물과 셀렌화 음이온을 용액에 안정시킬 수 있다.[10]결함 형성을 막기 위해 구리가 빈약하고 아연이 풍부한 용액을 사용했다.

CZTS 및 관련 합금 제작에 있어 특히 어려운 점은 반응 조건에서 증발할 수 있는 특정 원소(Zn 및 SnS)의 변동성이다.원스 CZTS가 형성되고, 요소의 변동성은 덜 문제가 되지만, CZTS가 진공 상태에서 500 °C 이상의 온도에서 2진 및 3진 화합물로 분해된다.이러한 변동성과 단상 재료 준비의 어려움으로 인해 많은 전통적인 진공 방법이 성공하게 되었다.현재 최고의 CZTS 장치는 낮은 온도에서 CZTS를 형성하여 변동성 문제를 피할 수 있는 특정 화학적 방법을 통해 달성되었다.

에틸렌 글리콜을 용매로 사용하는 연속 유동 공정이 오리건 주립 대학교에서 개발되었으며, 이는 산업 규모의 대량 생산에 적합할 수 있다.[11]

개발동기

CIGS와 CdTe는 가장 유망한 박막 태양전지 중 하나로 최근 상업적 성공을 거두고 있다.지속적인 급격한 비용 절감에도 불구하고, 독성뿐만 아니라 재료 가격과 가용성에 대한 우려가 제기되었다.현재의 재료비가 전체 태양전지 비용의 작은 부분을 차지하지만, 박막태양전지의 지속적인 급격한 성장은 재료가격 상승과 공급제한으로 이어질 수 있다.

CIGS의 경우 평면 화면 디스플레이와 모바일 기기에 사용되는 인듐주석산화물(ITO)이 급속도로 확대돼 인듐 수요가 급증하고 있다.수요와 공급 제한은 글로벌 경기침체가 일어나기 전에 가격이 1 000달러/kg 이상으로 빠르게 상승하도록 도왔다.가공 및 자본 장비가 CIGS 태양전지 생산 비용의 대부분을 차지하고 있지만, 원자재 가격은 미래 비용에 대한 낮은 한계로 공급이 제한되어 수요가 계속 증가한다면 수십 년 후의 제한 요인이 될 수 있다.인듐은 대부분 저농도 광석 매장량에 존재하기 때문에 아연 채굴의 부산물로 주로 얻는다.많은 가정에 근거한 성장 예측은 인듐 공급이 2050년에 CIGS 생산을 17-106 GW/yr로 제한할 수 있음을 시사한다.[12]텔루륨은 인듐보다 더 무섭지만, 역사적으로 수요 또한 낮았다.지구 지각의 텔루륨 풍부함은 금과 비슷하며, 2050년 미래 가용성의 예상 범위는 19GW에서 149GW/yr이다.

CZTS(CuZnSnS24)는 CIGS(및 CdTe)에 존재하는 물질 병목 현상을 완화할 수 있는 기능을 제공한다.CZTS는 CIGS의 찰카피라이트 구조와 유사하지만, 지구적으로 많은 요소만을 사용한다.원자재는 CIGS에 비해 약 5배 정도 싸고, 글로벌 자재 비축량(Cu, Sn, Zn, S)의 추정치는 우리가 가용 원자재 자원의 0.1%만 가지고도 세계를 발전시킬 수 있는 충분한 에너지를 생산할 수 있음을 시사한다.[13]또한 CZTS는 CdTe와 달리 무독성이며, 비교적 낮은 CIGS(셀레늄을 CZTS와 합금하는 경우도 있고, CdS를 n형 접속 파트너로 사용하는 경우도 있지만)이다.CZTS는 이러한 경제적, 환경적 혜택 외에도 다른 광전지 소재에 비해 방사선 경도가 훨씬 높아 우주에서 사용하기에 탁월한 후보지로 평가받고 있다.[14]

태양전지 개발

CZTS는 1966년에[15] 처음 만들어졌으며 이후 1988년에 광전 효과를 나타내는 것으로 나타났다.[16]CZTS 태양전지는 CZ뿐만 아니라 CZ도 1997년에 보고되었다.TSe 장치.[17]CZTS의 태양전지 효율은 증착 과정을 최적화하여 2005년에 5.7%로 증가하였다.[18]최근 2014년 인 대체 CZTS(CZTIS) 흡수기 소재와 투명 전도 백컨택트를 사용한 3.4%의 분광기기가 보고돼 [19]양쪽 조명에 광암호화폐를 생산할 수 있고, 이후 2016년 이 분광기 구성에 따른 기기 효율이 5.8%로 높아졌다.[20]또한, 나트륨은 CZTS 흡수기 층의 구조 및 전기적 특성에 강화 효과가 있다는 것이 입증되었다.[21]이러한 개선은 2000년대 중반 상업적 규모의 CIGS 생산 시작과 함께 CZTS 및 관련 화합물에 대한 연구 관심을 촉진시켰다.

1988년 이래로 CZTS는 상업용 태양전지 시스템에 대한 CIGS의 대안으로 고려되었다.CZTS의 장점은 상대적으로 희귀하고 비싼 인듐이 부족하다는 것이다.영국 지질조사국(British Geological Survey Risk List 2011)은 인듐에 6.5의 "상대적 공급 위험 지수"를 부여했으며, 여기서 최대치는 8.5이었다.[22]

2010년에는 CZTS 기기에서 약 10%의 태양 에너지 전환 효율을 달성하였다.[23]CZTS 기술은 현재 몇몇 민간 기업에 의해 개발되고 있다.[24]2012년 8월, IBM은 CZ를 개발했다고 발표했다.태양 에너지의 11.1%를 전기로 변환할 수 있는 [25]TS 태양전지

2013년 Rajeshmon 외 연구진은 분무 열화합 CZTS/InS23 태양전지의 효율이 1.85%라고 보고했다.[26]

2013년 11월 일본 박막태양광기업 솔라프런티어는 IBM, 도쿄 오카 코교(TOK)와 공동으로 에너지 전환 효율 12.6%의 세계기록 설정 CZTSSe 태양전지를 개발했다고 발표했다.[27]

2018년 CZTS 나노입자는 기기 안정성과 경제성 향상을 위한 방법으로 페로브스카이트 태양전지의 홀 전달층으로 사용되어 9.66%[28]의 전환효율을 보였다.

참조

  1. ^ a b Guen, L.; Glaunsinger, W.S. (1980). "Electrical, magnetic, and EPR studies of the quaternary chalcogenides Cu2AIIBIVX4 prepared by iodine transport". Journal of Solid State Chemistry. 35 (1): 10–21. Bibcode:1980JSSCh..35...10G. doi:10.1016/0022-4596(80)90457-0.
  2. ^ Ichimura, Masaya; Nakashima, Yuki (2009). "Analysis of Atomic and Electronic Structures of Cu2ZnSnS4 Based on First-Principle Calculation". Japanese Journal of Applied Physics. 48 (9): 090202. Bibcode:2009JaJAP..48i0202I. doi:10.1143/JJAP.48.090202.
  3. ^ Katagiri, Hironori; Saitoh, Kotoe; Washio, Tsukasa; Shinohara, Hiroyuki; Kurumadani, Tomomi; Miyajima, Shinsuke (2001). "Development of thin film solar cell based on Cu2ZnSnS4 thin films". Solar Energy Materials and Solar Cells. 65 (1–4): 141–148. doi:10.1016/S0927-0248(00)00088-X.
  4. ^ Matsushita, H.; Ichikawa, T.; Katsui, A. (2005). "Structural, thermodynamical and optical properties of Cu2-II-IV-VI4 quaternary compounds". Journal of Materials Science. 40 (8): 2003–2005. Bibcode:2005JMatS..40.2003M. doi:10.1007/s10853-005-1223-5. S2CID 100713002.
  5. ^ Grini, Sigbjørn (2019). Band gap grading and impurities in Cu2ZnSnS4 solar cells (PhD thesis). University of Oslo.
  6. ^ Chen, S.; Gong, X. G.; Walsh, A.; Wei, S.-H. (2009). "Crystal and electronic band structure of Cu2ZnSnX4 (X=S and Se) photovoltaic absorbers: First-principles insights" (PDF). Applied Physics Letters. 94 (4): 041903. Bibcode:2009ApPhL..94d1903C. doi:10.1063/1.3074499.
  7. ^ K. Rudisch, Y. Ren, C. Platzer-Björkman, J. Scragg, "B형 CuZnSnS의24 주문-배출 전환 및 열처리를 통한 주문의 제한"," 응용물리학 레터 108:23 (2016) https://doi.org/10.1063/1.4953349
  8. ^ Chen, Shiyou; Walsh, Aron; Gong, Xin-Gao; Wei, Su-Huai (2013). "Classification of Lattice Defects in the Kesterite Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 Earth-Abundant Solar Cell Absorbers". Advanced Materials. 25 (11): 1522–1539. doi:10.1002/adma.201203146. ISSN 1521-4095.
  9. ^ Wang, Wei; Winkler, Mark T.; Gunawan, Oki; Gokmen, Tayfun; Todorov, Teodor K.; Zhu, Yu; Mitzi, David B. (2014). "Device Characteristics of CZTSSe Thin-Film Solar Cells with 12.6% Efficiency". Advanced Energy Materials. 4 (7): 1301465. doi:10.1002/aenm.201301465. ISSN 1614-6840.
  10. ^ Todorov, Teodor K.; Reuter, Kathleen B.; Mitzi, David B. (2010). "High-Efficiency Solar Cell with Earth-Abundant Liquid-Processed Absorber". Advanced Materials. 22 (20): E156–E159. doi:10.1002/adma.200904155. ISSN 1521-4095.
  11. ^ "Antifreeze, cheap materials may lead to low-cost solar energy". Oregon State University. July 3, 2013.
  12. ^ Fthenakis, V. (2009). "Sustainability of photovoltaics: The case for thin-film solar cells". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 13 (9): 2746–2750. doi:10.1016/j.rser.2009.05.001.
  13. ^ Wadia, C.; Alivisatos, A. P.; Kammen, D. M. (2009). "Materials Availability Expands the Opportunity for Large-Scale Photovoltaics Deployment". Environmental Science & Technology. 43 (6): 2072–7. Bibcode:2009EnST...43.2072W. doi:10.1021/es8019534. PMID 19368216.
  14. ^ Suvanam, Sethu Saveda; Larsen, Jes; Ross, Nils; Kosyak, Volodymyr; Hallén, Anders; Björkman, Charlotte Platzer (2018-10-01). "Extreme radiation hard thin film CZTSSe solar cell". Solar Energy Materials and Solar Cells. 185: 16–20. doi:10.1016/j.solmat.2018.05.012. ISSN 0927-0248.
  15. ^ Nitsche, R.; Sargent, D. F.; Wild, P. (1967). "Crystal Growth of Quaternary I(2)II-IV-VI(4) Chalcogenides by Iodine Vapor Transport". Journal of Crystal Growth. 1 (1): 52–53. Bibcode:1967JCrGr...1...52N. doi:10.1016/0022-0248(67)90009-7.
  16. ^ Ito, K.; Nakazawa, T. (1988). "Electrical and Optical Properties of Stannite-Type Quaternary Semiconductor Thin Films". Japanese Journal of Applied Physics. 27 (11): 2094–2097. Bibcode:1988JaJAP..27.2094I. doi:10.1143/JJAP.27.2094.
  17. ^ Friedlmeier, T. M.; Wieser, N.; Walter, T.; Dittrich, H.; Schock, H.-W. (1997). "Heterojunctions based on Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 thin films". Proceedings of the 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference.
  18. ^ Katagiri, Hironori; Jimbo, Kazuo; Maw, Win Shwe; Oishi, Koichiro; Yamazaki, Makoto; Araki, Hideaki; Takeuchi, Akiko (2009). "Development of CZTS-based thin film solar cells". Thin Solid Films. 517 (7): 2455–2460. Bibcode:2009TSF...517.2455K. doi:10.1016/j.tsf.2008.11.002.
  19. ^ Ge, J.; Chu, J.; Jiang, J.; Yan, Y.; Yang, P. (2014). "Characteristics of In-substituted CZTS thin film and bifacial solar cell". ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (23): 21118–21130. doi:10.1021/am505980n. PMID 25340540.
  20. ^ Ge, Jie; Yu, Yue; Ke, Weijun; Li, Jian; Tan, Xingxuan; Wang, Zhiwei; Chu, Junhao; Yan, Yanfa (2016). "Improved performance of electroplated CZTS thin-film solar cells with bifacial configuration". ChemSusChem. 9 (16): 2149–58. doi:10.1002/cssc.201600440. PMID 27400033.
  21. ^ Prabhakar, Tejas; Nagaraju, J. (2011). "Effect of sodium diffusion on the structural and electrical properties of Cu2ZnSnS4 thin films". Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (3): 1001–1004. doi:10.1016/j.solmat.2010.12.012.
  22. ^ 위험 목록 2011. 경제적 가치가 있는 화학적 요소 또는 요소 그룹에 대한 새로운 공급 위험 지수.광물 영국
  23. ^ Todorov, T. K.; Reuter, K. B.; Mitzi, D. B. (2010). "High-Efficiency Solar Cell with Earth-Abundant Liquid-Processed Absorber". Advanced Materials. 22 (20): E156–9. doi:10.1002/adma.200904155. PMID 20641095.
  24. ^ "Solar Frontier and IBM Sign Agreement to Develop CZTS Solar Cell Technology". Archived from the original on 2010-11-06. Retrieved 2012-08-23.
  25. ^ Todorov, Teodor; Mitzi, David. "Shedding light on new frontiers of solar cell semiconductors". IBM. Retrieved 22 August 2012.
  26. ^ Rajeshmon, V.G.; Poornima, N.; Sudha Kartha, C.; Vijayakumar, K.P. (2013). "Modification of the optoelectronic properties of sprayed In2S3 thin films by indium diffusion for application as buffer layer in CZTS based solar cell". Journal of Alloys and Compounds. 553: 239–244. doi:10.1016/j.jallcom.2012.11.106.
  27. ^ Wang, W.; Winkler, M.T.; Gunawan, O.; Gokmen, T.; Todorov, T. K.; Zhu, Y.; Mitzi, D. B. (2013). "Device Characteristics of CZTSSe Thin-Film Solar Cells with 12.6% Efficiency". Advanced Energy Materials. 4 (7): 1301465. doi:10.1002/aenm.201301465.
  28. ^ Patel, Siddhant B.; Patel, Amar H.; Gohel, Jignasa V. (2018-12-05). "A novel and cost effective CZTS hole transport material applied in perovskite solar cells". CrystEngComm. 20 (47): 7677–7687. doi:10.1039/C8CE01337C. ISSN 1466-8033.

추가 읽기

  • Jonathan J. Scragg (2011). Copper Zinc Tin Sulfide Thin Films for Photovoltaics: Synthesis and Characterisation by Electrochemical Methods. Springer. ISBN 978-3-642-22918-3.