Kupfer-Zink-Zinnsulfid (abgekürzt CZTS von ) 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.
Eigenschaften CZTS kristallisiert ähnlich wie Stannit (Cu2FeSnS4) und Kesterit (Cu2(Zn,Fe)SnS4) im tetragonalen KristallsystemH. 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)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. mit der und den Gitterparametern a = 0,5427 nm und c = 1,0871 nm.Alfons Weber: Wachstum von Dünnschichten des Materialsystems Cu-Zn-Sn-S. (Dissertationsarbeit, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2009, PDF, abgerufen am 15. August 2024). In dieser Form besitzt das Material einen direkten Bandübergang mit einer Bandabstandsenergie von 1,4–1,5 eV.
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. 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 crystalsolFirmenwebsite, abgerufen am 26. August 2017. 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
Literatur
Kategorie:Verbindungshalbleiter Kategorie:Kupferverbindung Kategorie:Zinkverbindung Kategorie:Zinnverbindung Kategorie:Sulfid