Kupfer-Zink-Zinnsulfid

Kristallstruktur
__ Cu2+ __ Zn2+ __ Sn4+ __ S2-
Allgemeines
Name	Kupfer-Zink-Zinnsulfid
Andere Namen	Kesterit (Mineral) CZTS
Verhältnisformel	Cu2ZnSnS4
CAS-Nummer	12158-89-3
Eigenschaften
Molare Masse	439,5 g·mol−1
Schmelzpunkt	990 °C [1]
Sicherheitshinweise
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [2] keine Einstufung verfügbar R- und S-Sätze R: siehe oben S: siehe oben
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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Kupfer-Zink-Zinnsulfid, abgekürzt CZTS von englisch copper, zinc, tin, sulfur), ist eine halbleitende Verbindung von Kupfer, Zink, Zinn und Schwefel. Sie wird für die Anwendung in Dünnschichtsolarzellen erforscht.

Eigenschaften

CZTS kristallisiert ähnlich wie Stannit (Cu₂FeSnS₄) und Kesterit (Cu₂(Zn,Fe)SnS₄) im tetragonalen Kristallsystem^[3][4] mit der Raumgruppe $I\overline 4$ 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 relativ guten physikalischen Eigenschaften (Größe des Bandabstandes) 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 oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD).^[4] Im Vordergrund für eine kommerzielle Nutzung steht jedoch weniger der Bandabstand, den auch diverse andere Materialien bieten, sondern das Fehlen seltener oder giftiger Elemente wie Indium oder Quecksilber.

Solarzellen auf CZTS-Basis befinden sich weiterhin im Bereich der Forschung. Forscher der Tallinn University of Technology (TUT) entwickelten Pulver-basierte Monokorn-Membran-Solarzellen^[7][8], die zusätzlich Selen (Se) enthalten. Dieses auch mit CZTSSe bezeichnete Material lässt sich in seiner Bandlücke stufenlos zwischen der des reinen Sulfids (CZTS, Lumineszenz-Maximum bei 1,3 eV) und der des reinen Selenids (CZTSe, Lumineszenz-Maximum bei 0,95 eV) verschieben^[9]. Mit diesen Solarzellen wurde 2009 mit 5,9 % der erste unabhängig zertifizierte Wirkungsgrad von CZTS-Solarzellen erreicht^[10]. Die TUT-Ausgründung crystalsol^[11] 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^[12]. 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).^[13][14]

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. 2005, 40, 8, S. 2003-2005, doi:10.1007/s10853-005-1223-5.
2. ↑ In Bezug auf ihre Gefährlichkeit wurde die Substanz von der EU noch nicht eingestuft, 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. 65, Nr. 1–4, 2001, S. 141–148, doi:10.1016/S0927-0248(00)00088-X.
7. ↑ 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. 93, Nr. 1, 2009, S. 65-68, doi:10.1016/j.solmat.2008.04.018.
8. ↑ 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. 94, Nr. 11, 2010, S. 1889-1892, doi:10.1016/j.solmat.2010.06.046.
9. ↑ Maarja Grossberg, Jüri Krustok, Jaan Raudoja, Katri Timmo, Mare Altosaar, Taavi Raadik: Photoluminescence and Raman study of Cu₂ZnSn(Se_xS_1−x)₄ monograins for photovoltaic applications. In: Thin Solid Films. 2011, doi:10.1016/j.tsf.2010.12.099.
10. ↑ www.crystalsol.com/news/news.html
11. ↑ http://www.crystalsol.com
12. ↑ "Jüri Krustok, Raavo Josepson, Mati Danilson, Dieter Meissner: Temperature dependence of Cu₂ZnSn(Se_xS_1-x)₄ monograin solar cells. In: Solar Energy. 84, Nr. 3, 2010, S. 379-383, doi:doi:10.1016/j.solener.2009.09.011.
13. ↑ Teodor K. Todorov, Kathleen B. Reuter, David B. Mitzi: High-Efficiency Solar Cell with Earth-Abundant Liquid-Processed Absorber. In: Advanced Materials. 2010, doi:10.1002/adma.200904155.
14. ↑ 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.. 2, 1997, S. 1003–1006, doi:10.1109/PCCON.1997.638392 (Informationen zum Bandabstand, Herstellung und Gitteraufbau).