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).

ताँबाजस्ता विश्वास करना सल्फाइड (सीजेडटीएस) एक क्वाटरनरी अर्धचालक कंपाउंड है, जिसने 2000 के दशक के अंत से पतली फिल्म सौर सेल में अनुप्रयोगों के लिए बढ़ती रुचि प्राप्त की है। संबंधित पदार्थो के वर्ग में अन्य I2-II-IV-VI4 सम्मिलित हैं जैसे कॉपर जिंक टिन सेलेनाइड (सीजेडटीएसई) और सल्फर-सेलेनियम मिश्रधातु सीजेडटीएसएसई सीजेडटीएस सीआईजीएस (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, किंतु कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड (या सीडीटीई जैसी अन्य पतली फिल्मों) के विपरीत सीजेडटीएस केवल प्रचुर मात्रा में और गैर विषैले तत्वों से बना है। सीआईजीएस में इंडियम की मान और उपलब्धता और सीडीटीई में टेल्यूरियम के साथ-साथ कैडमियम की विषाक्तता वैकल्पिक पतली फिल्म सौर सेल पदार्थ की खोज के लिए एक बड़ा प्रेरक रही है। सीजेडटीएस की विद्युत् रूपांतरण दक्षता अभी भी सीआईजीएस और सीडीटीई की तुलना में अधिक कम है, सीजेडटीएस के लिए प्रयोगशाला सेल सूची 11.0% और 2019 तक सीजेडटीएसएसई के लिए 12.6% है।[5]

क्रिस्टल संरचना

सीजेडटीएस एक I2-II-IV-VI4 है चतुर्धातुक यौगिक च्लोकोपीराइट सीआईजीएस संरचना से, एक द्विसंयोजक Zn और IV-वैलेंट Sn के साथ ट्रिवेलेंट In/Ga को प्रतिस्थापित करके सीजेडटीएस प्राप्त कर सकते हैं जो कि केस्टरों का संरचना में बनता है।

कुछ साहित्य रिपोर्टों ने संबंधित स्टैनाइट संरचना में सीजेडटीएस की पहचान की है किंतु 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 विधियों के माध्यम से) Cu-Zn उद्धरणों के विकार से बाधित होता है, जो कि सैद्धांतिक गणनाओं द्वारा पूर्वानुमान की गई और न्यूट्रॉन बिखरने की पुष्टि के रूप में सबसे समान 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 पूर्वानुमान करती है और इसलिए बड़े ओपन परिपथ वोल्टेज घाटे का कारण हो सकता है अत्याधुनिक सीजेडटीएस उपकरणों की मुख्य बोतल गर्दन तापमान उपचार से विकार को कम किया जा सकता है। चूँकि 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 सीजेडटीएस संरचना की ट्यूनिंग है ।

भौतिक गुण

सीजेडटीएस की वाहक सांद्रता और अवशोषण गुणांक सीआईजीएस 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। परिणाम स्वरुप इलेक्ट्रॉन-ट्रैपिंग स्टेट बनते हैं, जो पुनर्संयोजन को सक्षम बनाता है। डीप-लेवल डिफेक्ट स्टेट्स होने से ओपन-परिपथ वोल्टेज और सीजेडटीएस सोलर सेल की रूपांतरण दक्षता कम हो जाती है।

सीजेडटीएस 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 सीजेडटीएस के प्रदर्शन पर हानिकारक प्रभाव पड़ता है, और उनमें से कई का पता लगाना कठिन होता है और सामान्यतः उपस्थित होते हैं। सामान्य चरणों में ZnS, SnS, CuS और Cu2SnS3 सम्मिलित हैं ZnS और Cu2SnS3 के चरम ओवरलैप के कारण एक्स-रे विवर्तन (XRD) जैसे पारंपरिक विधियों से इन चरणों की पहचान चुनौतीपूर्ण है। सीजेडटीएस के साथ सीजेडटीएस को चिह्नित करने में सहायता करने के लिए रमन बिखरना जैसी अन्य विधियों का पता लगाया जा रहा है।

निर्माण

सीजेडटीएस को विभिन्न प्रकार की वैक्यूम और गैर-वैक्यूम विधियों द्वारा तैयार किया गया है। वे अधिकतर आईना दिखाते हैं कि सीआईजीएस के साथ क्या सफल रहा है, चूँकि इष्टतम निर्माण की स्थिति भिन्न हो सकती है। विधियों को सामान्यतः वैक्यूम डिपोजिशन बनाम नॉन-वैक्यूम और सिंगल-स्टेप बनाम सल्फाइजेशन/सेलेनाइजेशन प्रतिक्रिया विधियों के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। वर्तमान सीआईजीएस उद्योग में वैक्यूम-आधारित विधियां प्रभावी हैं, किंतु पिछले दशक में गैर-वैक्यूम प्रक्रियाओं में उनकी संभावित कम पूंजी व्यय और बड़े क्षेत्रों को कोट करने के लचीलेपन के कारण रुचि और प्रगति में वृद्धि हुई है।

सूची धारण करने वाले सीजेडटीएस 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 है ।

सीजेडटीएस 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 सीजेडटीएस बनने के बाद तत्व की अस्थिरता कम समस्या होती है, किंतु तब भी सीजेडटीएस 500 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर वैक्यूम में बाइनरी और टर्नरी यौगिकों में विघटित हो जाएगा। एकल-चरण पदार्थ 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 मापदंड पर बड़े मापदंड 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 वर्तमान में बढ़ती व्यावसायिक सफलता देखी है। निरंतर तेजी से व्यय में कमी के अतिरिक्त पदार्थ की मान और उपलब्धता के साथ-साथ विषाक्तता के बारे में चिंताएं उठाई गई हैं। यद्यपि वर्तमान पदार्थ व्यय कुल सौर सेल व्यय का एक छोटा सा भाग है, पतली फिल्म सौर कोशिकाओं की निरंतर तीव्र वृद्धि से पदार्थ की मान और सीमित आपूर्ति में वृद्धि हो सकती है।

सीआईजीएस के लिए, फ्लैट स्क्रीन डिस्प्ले और मोबाइल उपकरणों में इस्तेमाल होने वाले इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) 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 सहायता की। जबकि प्रसंस्करण और पूंजीगत उपकरण सीआईजीएस सौर कोशिकाओं के उत्पादन के लिए व्यय का अधिकांश भाग बनाते हैं, कच्चे माल की मान भविष्य की व्ययों 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 अधिकत्तर कम सांद्रता वाले अयस्क जमा में उपस्थित 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 सीआईजीएस उत्पादन को 17–106 GW/yr की सीमा तक सीमित कर सकती है।[12] टेल्यूरियम इंडियम से भी दुर्लभ है, चूँकि 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 (Cu2ZnSnS4) सीआईजीएस (और सीडीटीई) में उपस्थित भौतिक बाधाओं को कम करने की प्रस्तुत करता है। सीजेडटीएस सीआईजीएस की चाल्कोपाइराइट संरचना के समान है किंतु केवल पृथ्वी-प्रचुर मात्रा में तत्वों का उपयोग करता है। कच्चा माल सीआईजीएस की तुलना में लगभग पांच गुना सस्ता है, और वैश्विक पदार्थ संचय (Cu, Sn, Zn और S के लिए) के अनुमान बताते हैं कि हम उपलब्ध कच्चे माल के संसाधनों के केवल 0.1% के साथ दुनिया को विद्युत् देने के लिए पर्याप्त ऊर्जा का उत्पादन कर सकते हैं।[13] इसके अतिरिक्त सीजेडटीएस गैर विषैले है, CdTe के विपरीत और कुछ सीमा तक सीआईजीएस (चूँकि सेलेनियम को कभी-कभी सीजेडटीएस के साथ मिश्रित किया जाता है और CdS को कभी-कभी n-टाइप जंक्शन पार्टनर के रूप में उपयोग किया जाता है)। इन प्रभावकारी और पर्यावरणीय लाभों के अतिरिक्त सीजेडटीएस अन्य फोटोवोल्टिक पदार्थो 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

सीजेडटीएस 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 सीजेडटीएस सौर सेल और साथ ही सीजेडटीएसई उपकरणों की रिपोर्ट की गई थी।[17] निक्षेपण प्रक्रिया को अनुकूलित करके सीजेडटीएस में सौर सेल दक्षता को 2005 में 5.7% तक बढ़ाया गया था।[18] वर्तमान ही में 2014 में एक 3.4% बायफेसियल उपकरण की सूचना दी गई थी, जिसमें प्रतिस्थापित सीजेडटीएस (सीजेडटीआईएस) अवशोषक पदार्थ 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 उपकरण की दक्षता को 2016 में 5.8% तक बढ़ाया गया है।[20] इसके अतिरिक्त यह प्रदर्शित किया गया है कि सोडियम का सीजेडटीएस अवशोषक परतों के संरचनात्मक और विद्युत गुणों पर प्रभाव पड़ता है।[21] 2000 के दशक के मध्य में व्यावसायिक मापदंड पर सीआईजीएस उत्पादन की प्रारंभ के साथ-साथ इन सुधारों ने सीजेडटीएस और संबंधित यौगिकों में अनुसंधान रुचि को उत्प्रेरित किया।

1988 से सीजेडटीएस को वाणिज्यिक सौर सेल प्रणालियों के लिए सीआईजीएस के विकल्प के रूप में माना जाता था। सीजेडटीएस का लाभ अपेक्षाकृत दुर्लभ और महंगे तत्व ईण्डीयुम की कमी है। ब्रिटिश भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण कठिन परिस्थिति सूची 2011 ने इंडियम को 6.5 का सापेक्ष आपूर्ति कठिन परिस्थिति सूचकांक दिया जहां अधिकतम 8.5 था।[22]

2010 में, एक सीजेडटीएस उपकरण में लगभग 10% की सौर सेल दक्षता ऊर्जा रूपांतरण दक्षता प्राप्त की गई थी।[23] सीजेडटीएस विधि 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 विद्युत् में परिवर्तित करने में सक्षम सीजेडटीएस सौर सेल विकसित किया है।[25]

2013 में राजेशमोन एट अल पाइरोलाइज्ड सीजेडटीएस/In2S3 स्प्रे पर 1.85% की दक्षता की सूचना दी।।[26]

नवंबर 2013 में, जापानी पतली-फिल्म सौर कंपनी सोलर फ्रंटियर ने घोषणा की कि आईबीएम और टोक्यो ओहका कोग्यो (टीओके) के साथ संयुक्त शोध में उन्होंने 12.6% ऊर्जा रूपांतरण दक्षता के साथ एक विश्व-सूची सेटिंग सीजेडटीएसएसई सौर सेल विकसित किया है।[27]

2018 में, सीजेडटीएस नैनोकणों का उपयोग उपकरण की स्थिरता और सामर्थ्य को बढ़ाने के लिए एक विधि के रूप में पेरोव्स्काइट 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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