CZTS
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CZTS
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Estructura de cristal CZTS. Naranja: Cu, gris: Zn / Fe, azul: Sn, amarillo: S.
Nombres
Otros nombres
sulfuro de cobre, zinc y estaño
Identificadores
  • 12158-89-3
Propiedades
Cu 2 ZnSnS 4
Masa molar439,471 g / mol
AparienciaCristales de color negro verdoso
Densidad4,56 g / cm 3 [1]
Punto de fusion990 ° C (1.810 ° F; 1.260 K) [4]
Brecha de banda1,4–1,5 eV [2] [3]
Estructura
Tetragonal [1]
a  = 0,5435 nm, c = 1,0843 nm, Z = 2
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
Referencias de Infobox

El sulfuro de cobre, zinc y estaño ( CZTS ) es un compuesto semiconductor cuaternario que ha recibido un interés creciente desde finales de la década de 2000 para aplicaciones en células solares de película delgada . La clase de materiales relacionados incluye otros I 2 -II-IV-VI 4 como el seleniuro de cobre, zinc y estaño (CZTSe) y la aleación de azufre-selenio CZTSSe. CZTS ofrece propiedades ópticas y electrónicas favorables similares a CIGS ( seleniuro de cobre, indio, galio ), lo que lo hace muy adecuado para su uso como una capa absorbente de células solares de película delgada, pero a diferencia de CIGS (u otras películas delgadas como CdTe), CZTS se compone únicamente de elementos abundantes y no tóxicos. Las preocupaciones sobre el precio y la disponibilidad del indio en CIGS y el telurio en CdTe, así como la toxicidad del cadmio, han sido un gran motivador para buscar materiales alternativos de células solares de película delgada . La eficiencia de conversión de energía de CZTS sigue siendo considerablemente más baja que la de CIGS y CdTe, con registros de células de laboratorio de 11.0% para CZTS y 12.6% para CZTSSe a partir de 2019 . [5]

Estructura cristalina

CZTS es un compuesto cuaternario I 2 -II-IV-VI 4 . A partir de la estructura CIGS de calcopirita , se puede obtener CZTS sustituyendo el In / Ga trivalente con un Zn bivalente y Sn IV-valente que se forma en la estructura de kesterita .

Algunos informes de la literatura han identificado CZTS en la estructura estannita relacionada , pero las condiciones bajo las cuales puede ocurrir una estructura estannita aún no están claras. Los cálculos del primer principio muestran que la energía del cristal es solo 2,86 meV / átomo más alta para la estructura de estannita que para la de kesterita, lo que sugiere que ambas formas pueden coexistir. [6] Determinación estructural (mediante técnicas como la difracción de rayos X) se ve obstaculizado por el desorden de los cationes Cu-Zn, que son el defecto más común según lo predicho por los cálculos teóricos y confirmado por la dispersión de neutrones. El orden casi aleatorio de Cu y Zn puede conducir a una identificación errónea de la estructura. Los cálculos teóricos predicen que el desorden de los cationes Cu-Zn conducirá a fluctuaciones potenciales en el CZTS y, por lo tanto, podría ser la causa del gran déficit de voltaje en circuito abierto, el cuello de botella principal de los dispositivos CZTS de última generación. El trastorno se puede reducir mediante tratamientos de temperatura. Sin embargo, otros tratamientos de temperatura por sí solos no parecen ser capaces de producir CZTS altamente ordenados. [7] Es necesario desarrollar otras estrategias para reducir este defecto, como el ajuste de la composición de CZTS.

Propiedades materiales

Las concentraciones de portadores y el coeficiente de absorción de CZTS son similares a los de CIGS. Otras propiedades como la vida útil del portador (y la longitud de difusión relacionada) son bajas (por debajo de 9 ns) para CZTS. Esta baja vida útil del portador puede deberse a una alta densidad de defectos activos o recombinación en los límites de los granos.

Muchas fases secundarias son posibles en compuestos cuaternarios como CZTS y su presencia puede afectar el rendimiento de la célula solar. Las fases secundarias pueden proporcionar rutas de corriente de derivación a través de la célula solar o actuar como centros de recombinación, degradando el rendimiento de la célula solar. A partir de la bibliografía, parece que todas las fases secundarias tienen un efecto perjudicial sobre el rendimiento de CZTS, y muchas de ellas son difíciles de detectar y están comúnmente presentes. Las fases comunes incluyen ZnS, SnS, CuS y Cu 2 SnS 3 . La identificación de estas fases es un desafío mediante métodos tradicionales como la difracción de rayos X (XRD) debido a la superposición de picos de ZnS y Cu 2 SnS 3 con CZTS. Otros métodos como la dispersión Raman se están explorando para ayudar a caracterizar CZTS.

Fabricación

CZTS se ha preparado mediante una variedad de técnicas de vacío y sin vacío. En su mayoría reflejan lo que ha tenido éxito con CIGS, aunque las condiciones óptimas de fabricación pueden diferir. Los métodos se pueden clasificar en términos generales como deposición al vacío frente a métodos de reacción sin vacío y de un solo paso frente a sulfización / selenización. Los métodos basados ​​en vacío son dominantes en la industria CIGS actual, pero en la última década ha habido un creciente interés y progreso en los procesos sin vacío debido a sus potenciales menores costos de capital y flexibilidad para revestir grandes áreas.

Un desafío particular para la fabricación de CZTS y aleaciones relacionadas es la volatilidad de ciertos elementos (Zn y SnS) que pueden evaporarse en las condiciones de reacción. Una vez que se forma CZTS, la volatilidad del elemento es un problema menor, pero incluso entonces CZTS se descompondrá en compuestos binarios y ternarios en el vacío a temperaturas superiores a 500 ° C. Esta volatilidad y dificultad de preparar un material de una sola fase ha resultado en el éxito de muchos métodos tradicionales de vacío. Actualmente los mejores dispositivos CZTS se han logrado mediante ciertos métodos químicos que permiten la formación de CZTS a bajas temperaturas evitando problemas de volatilidad.

En la Universidad Estatal de Oregon se ha desarrollado un proceso de flujo continuo que utiliza etilenglicol como disolvente, que puede ser adecuado para la producción en masa a escala industrial. [8]

Motivación para el desarrollo

CIGS y CdTe son dos de las células solares de película delgada más prometedoras y recientemente han experimentado un creciente éxito comercial. A pesar de la continua y rápida reducción de costos, se han planteado preocupaciones sobre el precio y la disponibilidad del material, así como la toxicidad. Aunque los costos actuales de los materiales son una pequeña parte del costo total de las células solares, el crecimiento rápido y continuo de las células solares de película delgada podría conducir a un aumento del precio del material y a un suministro limitado.

Para CIGS, el indio ha estado sujeto a una demanda creciente debido a la rápida expansión del óxido de indio y estaño (ITO) utilizado en pantallas planas y dispositivos móviles. La demanda, junto con la oferta limitada, ayudó a que los precios subieran rápidamente a más de $ 1000 / kg antes de la recesión mundial. Si bien el procesamiento y los equipos de capital representan la mayoría de los costos para producir células solares CIGS, el precio de la materia prima es el límite inferior para los costos futuros y podría ser un factor limitante en las próximas décadas si la demanda continúa aumentando con una oferta limitada. El indio existe principalmente en depósitos de mineral de baja concentración y, por lo tanto, se obtiene principalmente como subproducto de la extracción de zinc. Las proyecciones de crecimiento basadas en muchos supuestos sugieren que el suministro de indio podría limitar la producción de CIGS al rango de 17-106 GW / año en 2050. [9]El telurio es incluso más escaso que el indio, aunque la demanda también ha sido históricamente menor. La abundancia de telurio en la corteza terrestre es similar a la del oro, y las proyecciones de disponibilidad futura oscilan entre 19 y 149 GW / año en 2050.

CZTS (Cu 2 ZnSnS 4 ) ofrece aliviar los cuellos de botella del material presentes en CIGS (y CdTe). CZTS es similar a la estructura de calcopirita de CIGS pero usa solo elementos abundantes en la tierra. Las materias primas son aproximadamente cinco veces más baratas que las de CIGS, y las estimaciones de las reservas mundiales de materiales (para Cu, Sn, Zn y S) sugieren que podríamos producir suficiente energía para alimentar al mundo con solo el 0,1% de los recursos de materias primas disponibles. [10]Además, CZTS no es tóxico, a diferencia del CdTe y, en menor medida, del CIGS (aunque el selenio a veces se alea con CZTS y el CdS a veces se usa como socio de unión de tipo n). Además de estos beneficios económicos y ambientales, CZTS exhibe una dureza de radiación mucho mayor que otros materiales fotovoltaicos, lo que lo convierte en un excelente candidato para su uso en el espacio. [11]

Desarrollo de células solares

CZTS se creó por primera vez en 1966 [12] y más tarde se demostró que exhibía el efecto fotovoltaico en 1988. [13] En 1997 se informó de células solares CZTS con una eficiencia de hasta 2,3%, así como dispositivos CZTSe. [14] La eficiencia de las células solares en CZTS se aumentó al 5,7% en 2005 mediante la optimización del proceso de deposición. [15] Recientemente, en 2014 se informó de un dispositivo bifacial al 3,4%, que utiliza material absorbente de CZTS sustituido (CZTIS) y un contacto posterior conductor transparente, [16] que puede producir fotocorriente a ambos lados de la iluminación; posteriormente, la eficiencia del dispositivo basada en esta configuración bifacial se incrementó al 5,8% en 2016 [17].Además, se ha demostrado que el sodio tiene un efecto potenciador sobre las propiedades estructurales y eléctricas de las capas absorbentes de CZTS. [18] Estas mejoras, junto con los inicios de la producción de CIGS a escala comercial a mediados de la década de 2000, catalizaron el interés de la investigación en CZTS y compuestos relacionados.

Desde 1988, CZTS se consideró como una alternativa a CIGS para sistemas comerciales de células solares. La ventaja de CZTS es la falta del elemento indio relativamente raro y caro . La Lista de Riesgos del Servicio Geológico Británico de 2011 le dio al indio un "índice de riesgo de suministro relativo" de 6.5, donde el máximo fue 8.5. [19]

En 2010, se logró una eficiencia de conversión de energía solar de aproximadamente el 10% en un dispositivo CZTS. [20] Varias empresas privadas están desarrollando ahora la tecnología CZTS. [21] En agosto de 2012, IBM anunció que había desarrollado una célula solar CZTS capaz de convertir el 11,1% de la energía solar en electricidad. [22]

En 2013 Rajeshmon et al. informó una eficiencia del 1,85% en células solares CZTS / In 2 S 3 pirolizadas por aspersión .[23]

En noviembre de 2013, la empresa solar japonesa de película delgada Solar Frontier anunció que, en una investigación conjunta con IBM y Tokyo Ohka Kogyo (TOK), habían desarrollado una célula solar CZTSSe que estableció un récord mundial con una eficiencia de conversión de energía del 12,6%. [24]

Referencias

  1. ↑ a b Guen, L .; Glaunsinger, WS (1980). "Estudios eléctricos, magnéticos y EPR de los calcogenuros cuaternarios Cu 2 A II B IV X 4 preparados por transporte de yodo". Revista de química del estado sólido . 35 (1): 10-21. Código Bibliográfico : 1980JSSCh..35 ... 10G . doi : 10.1016 / 0022-4596 (80) 90457-0 .
  2. ^ Ichimura, Masaya; Nakashima, Yuki (2009). "Análisis de estructuras atómicas y electrónicas de Cu 2 ZnSnS 4 basado en el cálculo del primer principio". Revista japonesa de física aplicada . 48 (9): 090202. Código Bibliográfico : 2009JaJAP..48i0202I . doi : 10.1143 / JJAP.48.090202 .
  3. ^ Katagiri, Hironori; Saitoh, Kotoe; Washio, Tsukasa; Shinohara, Hiroyuki; Kurumadani, Tomomi; Miyajima, Shinsuke (2001). "Desarrollo de célula solar de película fina basada en películas delgadas de Cu 2 ZnSnS 4 ". Materiales de energía solar y células solares . 65 (1–4): 141–148. doi : 10.1016 / S0927-0248 (00) 00088-X .
  4. ^ Matsushita, H .; Ichikawa, T .; Katsui, A. (2005). "Propiedades estructurales, termodinámicas y ópticas de los compuestos cuaternarios Cu 2 -II-IV-VI 4 ". Revista de ciencia de materiales . 40 (8): 2003-2005. Código Bib : 2005JMatS..40.2003M . doi : 10.1007 / s10853-005-1223-5 . S2CID 100713002 . 
  5. ↑ Grini, Sigbjørn (2019). Clasificación de band gap e impurezas en células solares Cu2ZnSnS4 (tesis doctoral). Universidad de oslo.
  6. ^ Chen, S .; Gong, XG; Walsh, A .; Wei, S.-H. (2009). "Estructura de banda electrónica y cristalina de absorbedores fotovoltaicos de Cu 2 ZnSnX 4 (X = S y Se): conocimientos básicos de los primeros principios" (PDF) . Letras de Física Aplicada . 94 (4): 041903. Código Bibliográfico : 2009ApPhL..94d1903C . doi : 10.1063 / 1.3074499 .
  7. ^ K. Rudisch , Y. Ren , C. Platzer-Björkman , J. Scragg, "Transición de orden-desorden en Cu 2 ZnSnS 4 de tipo By limitaciones de ordenar a través de tratamientos térmicos", Applied Physics Letters 108: 23 (2016) https://doi.org/10.1063/1.4953349
  8. ^ "Anticongelante, materiales baratos pueden conducir a energía solar de bajo costo" . La Universidad Estatal de Oregon. 3 de julio de 2013.
  9. ^ Fthenakis, V. (2009). "Sostenibilidad de la energía fotovoltaica: el caso de las células solares de película delgada" . Revisiones de energías renovables y sostenibles . 13 (9): 2746–2750. doi : 10.1016 / j.rser.2009.05.001 .
  10. ↑ Wadia, C .; Alivisatos, AP; Kammen, DM (2009). "La disponibilidad de materiales amplía la oportunidad para el despliegue de energía fotovoltaica a gran escala". Ciencia y tecnología ambientales . 43 (6): 2072–7. Código Bibliográfico : 2009EnST ... 43.2072W . doi : 10.1021 / es8019534 . PMID 19368216 . 
  11. ^ Suvanam, Sethu Saveda; Larsen, Jes; Ross, Nils; Kosyak, Volodymyr; Hallén, Anders; Björkman, Charlotte Platzer (1 de octubre de 2018). "Célula solar CZTSSe de película fina y dura de radiación extrema" . Materiales de energía solar y células solares . 185 : 16-20. doi : 10.1016 / j.solmat.2018.05.012 . ISSN 0927-0248 . 
  12. ^ Nitsche, R .; Sargent, DF; Wild, P. (1967). "Crecimiento cristalino de calcogenuros cuaternarios I (2) II-IV-VI (4) por transporte de vapor de yodo". Diario de crecimiento cristalino . 1 (1): 52–53. Código Bibliográfico : 1967JCrGr ... 1 ... 52N . doi : 10.1016 / 0022-0248 (67) 90009-7 .
  13. ^ Ito, K .; Nakazawa, T. (1988). "Propiedades eléctricas y ópticas de películas delgadas de semiconductores cuaternarios de tipo Stannite". Revista japonesa de física aplicada . 27 (11): 2094-2097. Código bibliográfico : 1988JaJAP..27.2094I . doi : 10.1143 / JJAP.27.2094 .
  14. ^ Friedlmeier, TM; Wieser, N .; Walter, T .; Dittrich, H .; Schock, H.-W. (1997). "Heterouniones basadas en películas delgadas de Cu 2 ZnSnS 4 y Cu 2 ZnSnSe 4 " . Actas de la XIV Conferencia Europea de Energía Solar Fotovoltaica .
  15. ^ Katagiri, Hironori; Jimbo, Kazuo; Maw, Win Shwe; Oishi, Koichiro; Yamazaki, Makoto; Araki, Hideaki; Takeuchi, Akiko (2009). "Desarrollo de células solares de película fina basadas en CZTS". Películas sólidas delgadas . 517 (7): 2455–2460. Código Bibliográfico : 2009TSF ... 517.2455K . doi : 10.1016 / j.tsf.2008.11.002 .
  16. ^ Ge, J .; Chu, J .; Jiang, J .; Yan, Y .; Yang, P. (2014). "Características de la película fina CZTS sustituida y la célula solar bifacial". Materiales e interfaces aplicados ACS . 6 (23): 21118–21130. doi : 10.1021 / am505980n . PMID 25340540 . 
  17. ^ Ge, Jie; Yu, Yue; Ke, Weijun; Li, Jian; Tan, Xingxuan; Wang, Zhiwei; Chu, Junhao; Yan, Yanfa (2016). "Rendimiento mejorado de células solares de película fina CZTS galvanizadas con configuración bifacial". ChemSusChem . 9 (16): 2149–58. doi : 10.1002 / cssc.201600440 . PMID 27400033 . 
  18. ^ Prabhakar, Tejas; Nagaraju, J. (2011). "Efecto de la difusión de sodio sobre las propiedades estructurales y eléctricas de películas delgadas de Cu 2 ZnSnS 4 ". Materiales de energía solar y células solares . 95 (3): 1001–1004. doi : 10.1016 / j.solmat.2010.12.012 .
  19. ^ Lista de riesgos 2011. Un nuevo índice de riesgo de suministro para elementos químicos o grupos de elementos de valor económico . Minerales Reino Unido
  20. ^ Todorov, TK; Reuter, KB; Mitzi, DB (2010). "Célula solar de alta eficiencia con absorbente procesado por líquido abundante en la tierra". Materiales avanzados . 22 (20): E156–9. doi : 10.1002 / adma.200904155 . PMID 20641095 . 
  21. ^ "Solar Frontier e IBM firman un acuerdo para desarrollar la tecnología de células solares CZTS" . Archivado desde el original el 6 de noviembre de 2010 . Consultado el 23 de agosto de 2012 .
  22. ↑ Todorov, Teodor; Mitzi, David. "Arrojando luz sobre nuevas fronteras de semiconductores de células solares" . IBM . Consultado el 22 de agosto de 2012 .
  23. ^ Rajeshmon, VG; Poornima, N .; Sudha Kartha, C .; Vijayakumar, KP (2013). "Modificación de las propiedades optoelectrónicas de películas delgadas de In 2 S 3 rociadas por difusión de indio para su aplicación como capa tampón en célula solar basada en CZTS". Revista de aleaciones y compuestos . 553 : 239–244. doi : 10.1016 / j.jallcom.2012.11.106 .
  24. ^ Wang, W .; Winkler, MT; Gunawan, O .; Gokmen, T .; Todorov, TK; Zhu, Y .; Mitzi, DB (2013). "Características del dispositivo de células solares de película fina CZTSSe con 12,6% de eficiencia". Materiales energéticos avanzados . 4 (7): 1301465. doi : 10.1002 / aenm.201301465 .

Otras lecturas

  • Jonathan J. Scragg (2011). Películas delgadas de cobre, zinc, sulfuro de estaño para energía fotovoltaica: síntesis y caracterización por métodos electroquímicos . Saltador. ISBN 978-3-642-22918-3.
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