Kupfer-Zink-Zinnsulfid

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Kristallstruktur
Kristallstruktur von CZTS
_ Cu+ 0 _ Zn2+0 _ Sn4+0 _ S2−
Allgemeines
Name Kupfer-Zink-Zinnsulfid
Andere Namen
  • Kesterit (Mineral)
  • CZTS
Verhältnisformel Cu2ZnSnS4
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 12158-89-3
Eigenschaften
Molare Masse 439,5 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Schmelzpunkt

990 °C[1]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
keine Einstufung verfügbar[2]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Kupfer-Zink-Zinnsulfid (abgekürzt CZTS von englisch copper, zinc, tin, sulfur) ist eine halbleitende Verbindung von Kupfer, Zink, Zinn und Schwefel. Aufgrund der geeigneten optoelektronischen Eigenschaften wird sie wird für die Anwendung in Dünnschichtsolarzellen erforscht. Besonders interessant ist dieses Material als mögliche Alternative zu herkömmlichen Dünnschicht-Technologien wie CdTe oder CIGS, welche auf seltenen oder giftigen Elementen basieren.

Eigenschaften

CZTS kristallisiert ähnlich wie Stannit (Cu2FeSnS4) und Kesterit (Cu2(Zn,Fe)SnS4) im tetragonalen Kristallsystem[3][4] mit der Raumgruppe I4 (Raumgruppen-Nr. 82)Vorlage:Raumgruppe/82 und den Gitterparametern a = 0,5427 nm und c = 1,0871 nm.[5] In dieser Form besitzt das Material einen direkten Bandübergang mit einer Bandabstandsenergie von 1,4–1,5 eV.[4][6]

Verwendung

Durch die für Solarzellen geeigneten physikalischen Eigenschaften (Größe des Bandabstandes, Absorption) ergibt sich unter anderem eine Anwendung als elektrisch aktive Schicht in Dünnschichtsolarzellen (vgl. Photovoltaik). Die Abscheidung von CZTS-Schichten kann dabei über diverse Beschichtungsverfahren erfolgen, beispielsweise Sputterdeposition, thermisches Verdampfen, Laserablation, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), oder lösungsbasierte Techniken.[4][7] Im Vordergrund für eine kommerzielle Nutzung steht jedoch weniger der Bandabstand, den auch diverse andere Materialien bieten, sondern das Fehlen seltener Elemente wie Indium oder Gallium im Vergleich zur Verwendung von CIGS.

Solarzellen auf CZTS-Basis befinden sich weiterhin im Bereich der Forschung. Forscher der Technischen Universität Tallinn entwickelten Pulver-basierte Monokorn-Membran-Solarzellen[8][9], die zusätzlich Selen (Se) enthalten. Dieses auch mit CZTSSe bezeichnete Material lässt sich in seiner Bandlücke stufenlos zwischen der des reinen Sulfids (CZTS, Bandlücke bei 1,5 eV) und der des reinen Selenids (CZTSe, Bandlücke bei 1,0 eV) verschieben.[10] Mit diesen Solarzellen wurde 2009 mit 5,9 % der erste unabhängig zertifizierte Wirkungsgrad von CZTS-Solarzellen erreicht,[11] der bis 2013 auf 12,6 % für CZTSSe gesteigert werden konnte.[7] Die TUT-Ausgründung crystalsol[12] entwickelt auf dieser Basis eine Modulfertigung in Estland und Österreich. Von besonderem praktischen Interesse ist auch der extrem niedrige Temperaturkoeffizient dieses Solarzellen-Materials, der mit 0,013 %/K deutlich unter dem anderer Solarzellen-Materialien liegt[13]. Forscher von IBM erreichten mit aus Hydrazin-Lösungen aufgebrachten Solarzellen Wirkungsgrade von 9,6 Prozent für reines Sulfid (CZTS) und von 9,3 Prozent für reines Selenid (CZTSe).[14][15]

Einzelnachweise

  1. ↑ H. Matsushita, T. Ichikawa, A. Katsui: Structural, thermodynamical and optical properties of Cu2-II-IV-VI4 quaternary compounds. In: Journal of Materials Science. Band 40, Nr. 8, 2005, S. 2003–2005, doi:10.1007/s10853-005-1223-5.
  2. ↑ Dieser Stoff wurde in Bezug auf seine Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
  3. ↑ H. Katagiri, M. Nishimura, T. Onozawa, S. Maruyama, M. Fujita, T. Sega, T. Watanabe: Rare-metal free thin film solar cell. In: Proceedings of the Power Conversion Conference – Nagaoka 1997. Band 2, 1997, S. 1003–1006 (Abstract)
  4. ↑ a b c Masaya Ichimura, Yuki Nakashima: Analysis of Atomic and Electronic Structures of Cu2ZnSnS4 Based on First-Principle Calculation. In: Japanese Journal of Applied Physics. Band 48, 2009, S. 090202, doi:10.1143/JJAP.48.090202.
  5. ↑ Alfons Weber: Wachstum von Dünnschichten des Materialsystems Cu-Zn-Sn-S. (Dissertationsarbeit, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2009, PDF, abgerufen am 22. August 2010).
  6. ↑ Hironori Katagiri, Kotoe Saitoh, Tsukasa Washio, Hiroyuki Shinohara, Tomomi Kurumadani, Shinsuke Miyajima: Development of thin film solar cell based on Cu2ZnSnS4 thin films. In: Solar Energy Materials and Solar Cells. Band 65, Nr. 1–4, 2001, S. 141–148, doi:10.1016/S0927-0248(00)00088-X.
  7. ↑ a b W. Wang, M. T. Winkler, O. Gunawan, T. Gokmen, T. K. Todorov, Y. Zhu, D. B. Mitzi: Device Characteristics of CZTSSe Thin-Film Solar Cells with 12.6% Efficiency. In: Advanced Energy Materials. Band 4, Nr. 7, 2013, S. 1301465, doi:10.1002/aenm.201301465.
  8. ↑ Enn Mellikov, Dieter Meissner, Tiit Varema, Mare Altosaar, Marit Kauk, Olga Volobujeva, Jaan Raudoja, Katri Timmo and Mati Danilson: Monograin materials for solar cells. In: Solar Energy Materials and Solar Cells. Band 93, Nr. 1, 2009, S. 65–68, doi:10.1016/j.solmat.2008.04.018.
  9. ↑ Katri Timmon, Mare Altosaar, Jaan Raudoja, Katri Muska, Maris Pilvet, Marit Kauk, Tiit Varema, Mati Danilson, Olga Volobujeva, Enn Mellikov: Sulfur-containing Cu2ZnSnSe4 monograin powders for solar cells. In: Solar Energy Materials and Solar Cells. Band 94, Nr. 11, 2010, S. 1889–1892, doi:10.1016/j.solmat.2010.06.046.
  10. ↑ Maarja Grossberg, Jüri Krustok, Jaan Raudoja, Katri Timmo, Mare Altosaar, Taavi Raadik: Photoluminescence and Raman study of Cu2ZnSn(SexS1−x)4 monograins for photovoltaic applications. In: Thin Solid Films. Band 519, Nr. 21, 31. August 2011, S. 7403–7406, doi:10.1016/j.tsf.2010.12.099.
  11. ↑ crystalsol reaches 5.9% conversion efficiency. crystalsol, Februar 2009, abgerufen am 26. August 2017 (englisch, Fundstelle unter „News“).
  12. ↑ Firmenwebsite, abgerufen am 26. August 2017.
  13. ↑ Jüri Krustok, Raavo Josepson, Mati Danilson, Dieter Meissner: Temperature dependence of Cu2ZnSn(SexS1-x)4 monograin solar cells. In: Solar Energy. Band 84, Nr. 3, 2010, S. 379–383, doi:10.1016/j.solener.2009.09.011.
  14. ↑ Teodor K. Todorov, Kathleen B. Reuter, David B. Mitzi: High-Efficiency Solar Cell with Earth-Abundant Liquid-Processed Absorber. In: Advanced Materials. Band 22, Nr. 20, 2010, S. E156–E159, doi:10.1002/adma.200904155.
  15. ↑ Kevin Bullis: IBM-Forschung verbessert Solarzellen. In: Heise online. 11. Februar 2010, abgerufen am 12. Februar 2010.

Literatur

  • H. Katagiri, M. Nishimura, T. Onozawa, S. Maruyama, M. Fujita, T. Sega, T. Watanabe: Rare-metal free thin film solar cell. In: Proceedings of the Power Conversion Conference – Nagaoka 1997. Band 2, 1997, S. 1003–1006, doi:10.1109/PCCON.1997.638392 (Informationen zum Bandabstand, Herstellung und Gitteraufbau).
  • R. Hoffman: Materials for CZTS Photovoltaic Devices. In: NNN REU Research Accomplishmenta. 2009, S. 82–83 (PDF [abgerufen am 26. August 2017]).
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