सीजेडटीएस

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सीजेडटीएस
x
CZTS crystal structure. Orange: Cu, grey: Zn/Fe, blue: Sn, yellow: S.
Names
Other names
copper zinc tin sulfide
Identifiers
Properties
Cu2ZnSnS4
Molar mass 439.471 g/mol
Appearance Greenish black crystals
Density 4.56 g/cm3[1]
Melting point 990 °C (1,810 °F; 1,260 K)[4]
Band gap 1.4–1.5 eV[2][3]
Structure
Tetragonal[1]
a = 0.5435 nm, c = 1.0843 nm, Z = 2
Except where otherwise noted, data are given for materials in their standard state (at 25 °C [77 °F], 100 kPa).

ताँबा जस्ता विश्वास करना सल्फाइड (CZTS) एक क्वाटरनरी सेमीकंडक्टिंग कंपाउंड है, जिसने 2000 के दशक के अंत से पतली फिल्म सौर सेल में अनुप्रयोगों के लिए बढ़ती रुचि प्राप्त की है। संबंधित सामग्रियों के वर्ग में अन्य I शामिल हैं2-II-IV-VI4 जैसे कॉपर जिंक टिन सेलेनाइड (CZTSe) और सल्फर-सेलेनियम मिश्रधातु CZTSSe। CZTS CIGS (कॉपर ईण्डीयुम गैलियम सेलेनाइड) के समान अनुकूल ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक गुण प्रदान करता है, जो इसे पतली-फिल्म सौर सेल अवशोषक परत के रूप में उपयोग करने के लिए उपयुक्त बनाता है, लेकिन कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड (या सीडीटीई जैसी अन्य पतली फिल्मों) के विपरीत, CZTS केवल प्रचुर मात्रा में और गैर विषैले तत्वों से बना है। सीआईजीएस में इंडियम की कीमत और उपलब्धता और सीडीटीई में टेल्यूरियम के साथ-साथ कैडमियम की विषाक्तता वैकल्पिक पतली फिल्म सौर सेल सामग्री की खोज के लिए एक बड़ा प्रेरक रही है। CZTS की बिजली रूपांतरण दक्षता अभी भी CIGS और CdTe की तुलना में काफी कम है, CZTS के लिए प्रयोगशाला सेल रिकॉर्ड 11.0% और CZTSSe के लिए 12.6% है। as of 2019.[5]


क्रिस्टल संरचना

CZTS एक I है2-II-IV-VI4 चतुर्धातुक यौगिक। च्लोकोपीराइट सीआईजीएस संरचना से, एक द्विसंयोजक Zn और IV-वैलेंट Sn के साथ ट्रिवेलेंट In/Ga को प्रतिस्थापित करके CZTS प्राप्त कर सकते हैं जो कि केस्टरों का संरचना में बनता है।

कुछ साहित्य रिपोर्टों ने संबंधित उठना संरचना में सीजेडटीएस की पहचान की है, लेकिन जिन परिस्थितियों में स्टैनाइट संरचना हो सकती है, वे अभी तक स्पष्ट नहीं हैं। प्रथम-सिद्धांत की गणना से पता चलता है कि केस्टराइट संरचना की तुलना में स्टैनाइट के लिए क्रिस्टल ऊर्जा केवल 2.86 meV/परमाणु अधिक है जो यह सुझाव देती है कि दोनों रूप सह-अस्तित्व में हो सकते हैं।[6]संरचनात्मक निर्धारण (एक्स-रे विवर्तन जैसी तकनीकों के माध्यम से) Cu-Zn उद्धरणों के विकार से बाधित होता है, जो कि सैद्धांतिक गणनाओं द्वारा भविष्यवाणी की गई और न्यूट्रॉन बिखरने की पुष्टि के रूप में सबसे आम दोष हैं। Cu और Zn के लगभग यादृच्छिक क्रम से संरचना की गलत पहचान हो सकती है। सैद्धांतिक गणना सीजेडटीएस में संभावित उतार-चढ़ाव का कारण बनने के लिए सीयू-जेडएन केशन के विकार की भविष्यवाणी करती है और इसलिए बड़े ओपन सर्किट वोल्टेज घाटे का कारण हो सकता है, अत्याधुनिक सीजेडटीएस उपकरणों की मुख्य बोतल गर्दन। तापमान उपचार से विकार को कम किया जा सकता है। हालांकि, अन्य तापमान उपचार अकेले अत्यधिक आदेशित सीजेडटीएस प्राप्त करने में सक्षम नहीं लगते हैं।[7] इस दोष को कम करने के लिए अन्य रणनीतियों को विकसित करने की आवश्यकता है, जैसे कि CZTS संरचना की ट्यूनिंग।

भौतिक गुण

CZTS की वाहक सांद्रता और अवशोषण गुणांक CIGS के समान हैं। सीजेडटीएस के लिए वाहक जीवनकाल (और संबंधित प्रसार लंबाई) जैसे अन्य गुण कम (9 एनएस से नीचे) हैं। यह कम वाहक जीवनकाल सक्रिय दोषों के उच्च घनत्व या अनाज की सीमाओं पर पुनर्संयोजन के कारण हो सकता है। जिंक-कॉपर क्रिस्टलोग्राफिक दोष और तांबे की रिक्तियों की कम दोष गठन ऊर्जा के कारण सीजेडटीएस में दोष गठन प्रचलित है।[8] ये दोष क्रिस्टल संरचना में 'प्रभावी' चार्ज बनाते हैं, जो विभिन्न दोषों के एकत्रीकरण द्वारा स्थिर होता है जो प्रभावी रूप से तटस्थ बनने के लिए चार्ज असमानता की भरपाई करता है। नतीजतन, इलेक्ट्रॉन-ट्रैपिंग राज्य बनते हैं, जो पुनर्संयोजन को सक्षम बनाता है। डीप-लेवल डिफेक्ट स्टेट्स होने से ओपन-सर्किट वोल्टेज और CZTS सोलर सेल की रूपांतरण दक्षता कम हो जाती है।

CZTS जैसे चतुर्धातुक यौगिकों में कई माध्यमिक चरण संभव हैं और उनकी उपस्थिति सौर सेल के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकती है। माध्यमिक चरण सौर सेल के माध्यम से शंटिंग वर्तमान पथ प्रदान कर सकते हैं या पुनर्संयोजन केंद्रों के रूप में कार्य कर सकते हैं, दोनों सौर सेल प्रदर्शन को कम कर सकते हैं। साहित्य से ऐसा प्रतीत होता है कि सभी माध्यमिक चरणों का CZTS के प्रदर्शन पर हानिकारक प्रभाव पड़ता है, और उनमें से कई का पता लगाना मुश्किल होता है और आमतौर पर मौजूद होते हैं। सामान्य चरणों में ZnS, SnS, CuS और Cu शामिल हैं2एसएनएस3. ZnS और Cu के चरम ओवरलैप के कारण एक्स-रे विवर्तन (XRD) जैसे पारंपरिक तरीकों से इन चरणों की पहचान चुनौतीपूर्ण है।2एसएनएस3 सीजेडटीएस के साथ। सीजेडटीएस को चिह्नित करने में मदद करने के लिए रमन बिखरना जैसी अन्य विधियों का पता लगाया जा रहा है।

निर्माण

CZTS को विभिन्न प्रकार की वैक्यूम और गैर-वैक्यूम तकनीकों द्वारा तैयार किया गया है। वे अधिकतर आईना दिखाते हैं कि CIGS के साथ क्या सफल रहा है, हालांकि इष्टतम निर्माण की स्थिति भिन्न हो सकती है। तरीकों को मोटे तौर पर वैक्यूम डिपोजिशन बनाम नॉन-वैक्यूम और सिंगल-स्टेप बनाम सल्फाइजेशन/सेलेनाइजेशन रिएक्शन विधियों के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। मौजूदा सीआईजीएस उद्योग में वैक्यूम-आधारित विधियां प्रभावी हैं, लेकिन पिछले दशक में गैर-वैक्यूम प्रक्रियाओं में उनकी संभावित कम पूंजी लागत और बड़े क्षेत्रों को कोट करने के लचीलेपन के कारण रुचि और प्रगति में वृद्धि हुई है।

रिकॉर्ड धारण करने वाले CZTS सौर सेल स्पिन कोटिंग द्वारा एक हाइड्राज़ीन-आधारित घोल से बनाए जाते हैं।[9] इसके कम करने वाले चरित्र के कारण, हाइड्राज़ीन मिश्रण में अशुद्धियों को जोड़े बिना सल्फाइड और सेलेनाइड आयनों को घोल में स्थिर कर सकता है।[10] दोष गठन को रोकने के लिए, तांबे-गरीब और जस्ता युक्त समाधान का उपयोग किया गया।

CZTS और संबंधित मिश्र धातुओं के निर्माण के लिए एक विशेष चुनौती कुछ तत्वों (Zn और SnS) की अस्थिरता है जो प्रतिक्रिया की स्थिति में वाष्पित हो सकती है। एक बार CZTS बनने के बाद, तत्व की अस्थिरता कम समस्या होती है, लेकिन तब भी CZTS 500 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर वैक्यूम में बाइनरी और टर्नरी यौगिकों में विघटित हो जाएगा। एकल-चरण सामग्री तैयार करने की इस अस्थिरता और कठिनाई के परिणामस्वरूप कई पारंपरिक वैक्यूम विधियों की सफलता हुई है। वर्तमान में सर्वोत्तम सीजेडटीएस उपकरण कुछ रासायनिक विधियों के माध्यम से प्राप्त किए गए हैं जो अस्थिरता की समस्याओं से बचने के लिए कम तापमान पर सीजेडटीएस के गठन की अनुमति देते हैं।

एक विलायक के रूप में एथिलीन ग्लाइकॉल का उपयोग करके एक सतत प्रवाह प्रक्रिया ओरेगन स्टेट यूनिवर्सिटी में विकसित की गई है जो औद्योगिक पैमाने पर बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त हो सकती है।[11]


विकास के लिए प्रेरणा

कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड और सीडीटीई दो सबसे आशाजनक पतली-फिल्म सौर सेल हैं और हाल ही में बढ़ती व्यावसायिक सफलता देखी है। निरंतर तेजी से लागत में कमी के बावजूद, सामग्री की कीमत और उपलब्धता के साथ-साथ विषाक्तता के बारे में चिंताएं उठाई गई हैं। यद्यपि वर्तमान सामग्री लागत कुल सौर सेल लागत का एक छोटा सा हिस्सा है, पतली फिल्म सौर कोशिकाओं की निरंतर तीव्र वृद्धि से सामग्री की कीमत और सीमित आपूर्ति में वृद्धि हो सकती है।

CIGS के लिए, फ्लैट स्क्रीन डिस्प्ले और मोबाइल उपकरणों में इस्तेमाल होने वाले इंडियम टिन ऑक्साइड (ITO) के तेजी से विस्तार के कारण इंडियम बढ़ती मांग के अधीन रहा है। सीमित आपूर्ति के साथ मिलकर मांग ने वैश्विक मंदी से पहले कीमतों को तेजी से $1000/किग्रा से ऊपर चढ़ने में मदद की। जबकि प्रसंस्करण और पूंजीगत उपकरण CIGS सौर कोशिकाओं के उत्पादन के लिए लागत का अधिकांश हिस्सा बनाते हैं, कच्चे माल की कीमत भविष्य की लागतों के लिए कम होती है और आगे के दशकों में एक सीमित कारक हो सकता है यदि सीमित आपूर्ति के साथ मांग में वृद्धि जारी रहती है। इंडियम ज्यादातर कम सांद्रता वाले अयस्क जमा में मौजूद होता है और इसलिए इसे मुख्य रूप से जस्ता खनन के उपोत्पाद के रूप में प्राप्त किया जाता है। कई मान्यताओं के आधार पर विकास अनुमान बताते हैं कि इंडियम आपूर्ति 2050 में CIGS उत्पादन को 17–106 GW/yr की सीमा तक सीमित कर सकती है।[12]टेल्यूरियम इंडियम से भी दुर्लभ है, हालांकि मांग भी ऐतिहासिक रूप से कम रही है। पृथ्वी की पपड़ी में टेल्यूरियम बहुतायत सोने के समान है, और भविष्य की उपलब्धता का अनुमान 2050 में 19 से 149 GW/yr तक है।

सीजेडटीएस (घन2ZnSnS4) सीआईजीएस (और सीडीटीई) में मौजूद भौतिक बाधाओं को कम करने की पेशकश करता है। सीजेडटीएस सीआईजीएस की चाल्कोपाइराइट संरचना के समान है लेकिन केवल पृथ्वी-प्रचुर मात्रा में तत्वों का उपयोग करता है। कच्चा माल सीआईजीएस की तुलना में लगभग पांच गुना सस्ता है, और वैश्विक सामग्री भंडार (सीयू, एसएन, जेडएन और एस के लिए) के अनुमान बताते हैं कि हम उपलब्ध कच्चे माल के संसाधनों के केवल 0.1% के साथ दुनिया को बिजली देने के लिए पर्याप्त ऊर्जा का उत्पादन कर सकते हैं।[13]इसके अलावा, CZTS गैर विषैले है, CdTe के विपरीत और कुछ हद तक CIGS (हालांकि सेलेनियम को कभी-कभी CZTS के साथ मिश्रित किया जाता है और CdS को कभी-कभी n-टाइप जंक्शन पार्टनर के रूप में उपयोग किया जाता है)। इन किफायती और पर्यावरणीय लाभों के अलावा, सीजेडटीएस अन्य फोटोवोल्टिक सामग्रियों की तुलना में बहुत अधिक विकिरण कठोरता प्रदर्शित करता है, जिससे यह अंतरिक्ष में उपयोग के लिए एक उत्कृष्ट उम्मीदवार बन जाता है।[14]


सौर कोशिकाओं का विकास

CZTS को पहली बार 1966 में बनाया गया था[15]और बाद में 1988 में फोटोवोल्टिक प्रभाव प्रदर्शित करने के लिए दिखाया गया था।[16]1997 में 2.3% तक दक्षता वाले CZTS सौर सेल और साथ ही CZTSe उपकरणों की रिपोर्ट की गई थी।[17]निक्षेपण प्रक्रिया को अनुकूलित करके CZTS में सौर सेल दक्षता को 2005 में 5.7% तक बढ़ाया गया था।[18]हाल ही में, 2014 में एक 3.4% बायफेसियल डिवाइस की सूचना दी गई थी, जिसमें प्रतिस्थापित CZTS (CZTIS) अवशोषक सामग्री और पारदर्शी कंडक्टिंग बैक कॉन्टैक्ट का उपयोग किया गया था।[19]जो प्रदीप्ति के दोनों ओर प्रकाशिक धारा उत्पन्न कर सकता है; बाद में, इस बायफेसियल कॉन्फ़िगरेशन के आधार पर डिवाइस की दक्षता को 2016 में 5.8% तक बढ़ाया गया है।[20] इसके अतिरिक्त, यह प्रदर्शित किया गया है कि सोडियम का CZTS अवशोषक परतों के संरचनात्मक और विद्युत गुणों पर प्रभाव पड़ता है।[21]2000 के दशक के मध्य में व्यावसायिक पैमाने पर CIGS उत्पादन की शुरुआत के साथ-साथ इन सुधारों ने CZTS और संबंधित यौगिकों में अनुसंधान रुचि को उत्प्रेरित किया।

1988 से CZTS को वाणिज्यिक सौर सेल प्रणालियों के लिए CIGS के विकल्प के रूप में माना जाता था। CZTS का लाभ अपेक्षाकृत दुर्लभ और महंगे तत्व ईण्डीयुम की कमी है। ब्रिटिश भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण जोखिम सूची 2011 ने इंडियम को 6.5 का सापेक्ष आपूर्ति जोखिम सूचकांक दिया, जहां अधिकतम 8.5 था।[22] 2010 में, एक CZTS उपकरण में लगभग 10% की सौर सेल दक्षता ऊर्जा रूपांतरण दक्षता हासिल की गई थी।[23] CZTS तकनीक अब कई निजी कंपनियों द्वारा विकसित की जा रही है।[24] अगस्त 2012 में, आईबीएम ने घोषणा की कि उन्होंने 11.1% सौर ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करने में सक्षम CZTS सौर सेल विकसित किया है।[25] 2013 में राजेशमोन एट अल। पाइरोलाइज्ड सीजेडटीएस/इन स्प्रे पर 1.85% की दक्षता दर्ज की गई2S3 सौर सेल। [26] नवंबर 2013 में, जापानी पतली-फिल्म सौर कंपनी सोलर फ्रंटियर ने घोषणा की कि आईबीएम और टोक्यो झील मछली (टीओके) के साथ संयुक्त शोध में, उन्होंने 12.6% ऊर्जा रूपांतरण दक्षता के साथ एक विश्व-रिकॉर्ड सेटिंग CZTSSe सौर सेल विकसित किया है।[27]

2018 में, CZTS नैनोकणों का उपयोग डिवाइस की स्थिरता और सामर्थ्य को बढ़ाने के लिए एक विधि के रूप में Perovskite सोलर सेल के लिए होल ट्रांसपोर्ट लेयर के रूप में किया गया था, जिससे 9.66% की कथित रूपांतरण दक्षता प्राप्त हुई।[28]


संदर्भ

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अग्रिम पठन

  • Jonathan J. Scragg (2011). Copper Zinc Tin Sulfide Thin Films for Photovoltaics: Synthesis and Characterisation by Electrochemical Methods. Springer. ISBN 978-3-642-22918-3.
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