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Kupfer Zink Zinnsulfid abgekürzt CZTS von englisch copper zinc tin sulfide ist eine halbleitende Verbindung von Kupfer Z

Kupfer-Zink-Zinnsulfid

Kupfer-Zink-Zinnsulfid (abgekürzt CZTS von englisch copper, zinc, tin sulfide) ist eine halbleitende Verbindung von Kupfer, Zink, Zinn und Schwefel. Aufgrund der 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.

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

fest

Schmelzpunkt

990 °C

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

Eigenschaften Bearbeiten

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

Verwendung Bearbeiten

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. 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, 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. Mit diesen Solarzellen wurde 2009 mit 5,9 % der erste unabhängig zertifizierte Wirkungsgrad von CZTS-Solarzellen erreicht, der bis 2013 auf 12,6 % für CZTSSe gesteigert werden konnte. Die TUT-Ausgründung crystalsol 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. 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).

Einzelnachweise Bearbeiten

  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. ↑ 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. ↑ 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 Bearbeiten

  • 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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Veröffentlichungsdatum:
Kupfer Zink Zinnsulfid abgekurzt CZTS von englisch copper zinc tin sulfide ist eine halbleitende Verbindung von Kupfer Zink Zinn und Schwefel Aufgrund der optoelektronischen Eigenschaften wird sie wird fur die Anwendung in Dunnschichtsolarzellen erforscht Besonders interessant ist dieses Material als mogliche Alternative zu herkommlichen Dunnschicht Technologien wie CdTe oder CIGS welche auf seltenen oder giftigen Elementen basieren Kristallstruktur Cu 0 Zn2 0 Sn4 0 S2 AllgemeinesName Kupfer Zink ZinnsulfidAndere Namen Kesterit Mineral CZTSVerhaltnisformel Cu2ZnSnS4Externe Identifikatoren DatenbankenCAS Nummer 12158 89 3PubChem 161513860Wikidata Q424930EigenschaftenMolare Masse 439 5 g mol 1Aggregatzustand festSchmelzpunkt 990 C 1 SicherheitshinweiseGHS Gefahrstoffkennzeichnungkeine Einstufung verfugbar 2 Soweit moglich und gebrauchlich werden SI Einheiten verwendet Wenn nicht anders vermerkt gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 Verwendung 3 Einzelnachweise 4 LiteraturEigenschaften BearbeitenCZTS kristallisiert ahnlich 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 Bandubergang mit einer Bandabstandsenergie von 1 4 1 5 eV 4 6 Verwendung BearbeitenDurch die fur Solarzellen geeigneten physikalischen Eigenschaften Grosse des Bandabstandes Absorption ergibt sich unter anderem eine Anwendung als elektrisch aktive Schicht in Dunnschichtsolarzellen vgl Photovoltaik Die Abscheidung von CZTS Schichten kann dabei uber diverse Beschichtungsverfahren erfolgen beispielsweise Sputterdeposition thermisches Verdampfen Laserablation chemische Gasphasenabscheidung CVD oder losungsbasierte Techniken 4 7 Im Vordergrund fur 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 Universitat Tallinn entwickelten Pulver basierte Monokorn Membran Solarzellen 8 9 die zusatzlich Selen Se enthalten Dieses auch mit CZTSSe bezeichnete Material lasst sich in seiner Bandlucke stufenlos zwischen der des reinen Sulfids CZTS Bandlucke bei 1 5 eV und der des reinen Selenids CZTSe Bandlucke bei 1 0 eV verschieben 10 Mit diesen Solarzellen wurde 2009 mit 5 9 der erste unabhangig zertifizierte Wirkungsgrad von CZTS Solarzellen erreicht 11 der bis 2013 auf 12 6 fur CZTSSe gesteigert werden konnte 7 Die TUT Ausgrundung crystalsol 12 entwickelt auf dieser Basis eine Modulfertigung in Estland und Osterreich 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 Losungen aufgebrachten Solarzellen Wirkungsgrade von 9 6 Prozent fur reines Sulfid CZTS und von 9 3 Prozent fur reines Selenid CZTSe 14 15 Einzelnachweise Bearbeiten 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 Dieser Stoff wurde in Bezug auf seine Gefahrlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlassliche und zitierfahige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden 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 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 Alfons Weber Wachstum von Dunnschichten des Materialsystems Cu Zn Sn S Dissertationsarbeit Friedrich Alexander Universitat Erlangen Nurnberg 2009 PDF abgerufen am 22 August 2010 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 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 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 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 Maarja Grossberg Juri 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 crystalsol reaches 5 9 conversion efficiency crystalsol Februar 2009 abgerufen am 26 August 2017 englisch Fundstelle unter News Firmenwebsite abgerufen am 26 August 2017 Juri 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 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 Kevin Bullis IBM Forschung verbessert Solarzellen In Heise online 11 Februar 2010 abgerufen am 12 Februar 2010 Literatur BearbeitenH 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 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Kupfer Zink Zinnsulfid amp oldid 233170961