"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9346
ETF9346 "Development of CZTS monograin powders towards abundant and non-toxic materials for solar cells (1.01.2012−31.12.2015)", Marit Kauk-Kuusik, Tallinna Tehnikaülikool, Keemia ja materjalitehnoloogia teaduskond.
ETF9346
Development of CZTS monograin powders towards abundant and non-toxic materials for solar cells
Mittetoksilistest ja maapõues laialt levinud materjalidest valmistatud monoterakiht päikesepatareide arendamine
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.12. Protsessitehnoloogia ja materjaliteadusT150 Materjalitehnoloogia2.3. Teised tehnika- ja inseneriteadused (keemiatehnika, lennundustehnika, mehaanika, metallurgia, materjaliteadus ning teised seotud erialad: puidutehnoloogia, geodeesia, tööstuskeemia, toiduainete tehnoloogia, süsteemianalüüs, metallurgia, mäendus, tekstiilitehnoloogia ja teised seotud teadused).100,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.20129 912,00 EUR
01.01.2013−31.12.20139 912,00 EUR
01.01.2014−31.12.20149 912,00 EUR
01.01.2015−31.12.20159 912,00 EUR
39 648,00 EUR

Käesoleva uurimistöö ülesandeks on sünteesida kõrge kvaliteediga Cu2ZnSnS4 monoterapulbrid ja kasutada neid monoterakihi päikesepatareides absorbermaterjalina. Kavandatud uurimustöö peaks ühendama fundamentaalteaduse ja praktilise rakenduse CZTS monoterakiht päikesepatareidena. Plaanitud eksperimentaalse töö käigus uuritakse CZTS monotera pulbri kasvutingimusi ühefaasilise CZTS materjali saamiseks. Eelnevad ekperimendid on näidanud, et ühefaasilise sobivate omadustega CZTS materjali saamine on küllaltki komplitseeritud. Kõrge kasuteguri saamiseks vajavad absorbermaterjalid tavaliselt järel-lõõmutust. Käesoleva projekti raames uuritakse väävli ja tina sulfiidi aururõhu käsitluste mõju nii materjali koostisele ja elektrilistele omadustele, kui ka CZTS baasil valmistatavatele päikeseelemendi väljundparameetriltele. Üheks puuduseks on monoterakihi päikeseparateidel suhteliselt madal voolutihedus JSC väärtus, mis võib tuleneda pinna rekombinatsioonist p-tüüpi CZTS ja n-tüüpi puhverkihi CdS vahel. Seega on väga oluline optimeerida p-n üleminek päikesepatareides. Üheks võimaluseks on asendada CdS laiema keelutsooniga puhverkihiga näiteks ZnS või ZnO, millede keelutsoon on suurem kui 2.4 eV. Tänu sellele on võimalik parandada CZTS päikesepatareide kvantefektiivsust lühemalainelises osas. Seega on teiseks eesmärgiks käesolevas projektis uurida alternatiivsete puhverkihtide omadusi ja leida sobivad tehnoloogilised parameetrid ning võrrelda neid CZTS baasil valmistatud strukuuridel standard CdS puhverkihiga.
The proposed research will result in knowledge on how to synthesise high quality CZTS powder and to make high efficiency CZTS based monograin layer solar cells. It will establish the relation between powder growth conditions and electrical, optical and structural properties of the CZTS material. The proposed approach balances the need to establish the fundamental science behind the CZTS solar cell technology and the practical requirement of rapidly moving towards the region of the parameter space that produces high efficiency powders relevant to solving a very challenging energy problem. The proposal includes the investigations of growth single phase CZTS in the form of monograin powder. Different preparative parameters such as concentration of metal components in precursor and post-treatment performance will be optimized in order to get uniform, good quality powders for solar cells. The second subject is to investigate the optical, structural and compositional properties of alternative buffer layers by varying different technological parameters and to prepare CZTS MGL solar cells with these buffer layers, comparing them those made with the standard CBD-CdS buffer layer.
Uurimistöö ülesandeks oli sünteesida kõrge kvaliteediga kesteriitsed monoterapulbrid ja kasutada neid monoterakihi päikesepatareides absorbermaterjalina. Uuringute tulemusel leiti, et monoterade koostist on võimalik kontrollida prekursorite segu algkoostise muutmisega. Esmakordselt leiti, et Cu ja Zn on mingil määral omavahel vahetatavad: kõrgem Cu sisaldus annab võimaluse sünteesida madalama Zn kontsentratsiooniga monoterapulbreid ning vastupidi- kõrgem Zn kontsentratsioon prekursorite segus tagab madalama Cu sisalduse sünteesitud materjalides. Valmistatud päikesepatareide väljundparameetrid sõltusid monoterapulbrite koostisest ning neid on võimalik parandada pulbrite järelkäsitlusega kalkogeeni aururõhus, kas isotermses või kahetsoonilises süsteemis. Kõrgeimad kasutegurid saavutati kasutades Cu-vaese ja Zn-rikka koostisega monoterasid, mida oli täiendavalt töödeldud kahetsoonilises süsteemis Sn(Se,S)2 aururõhus- Cu2ZnSnSe4 päikesepatarei kasuteguriks saadi 4.4% ja Cu2ZnSnS4 baasil valmistatud monoterakiht-päikeseptarei kasuteguriks saadi 9.4%. Antud projekti raames uuriti kesteriitsete monoterade pinnakoostist XPS meetodil ja leiti, et äsjakasvatatud pulbrikristallide pinnakoostis erineb kristallide sisu koostisest: pinnakiht oli tugevalt Cu-vaene ja kalkogeenirikas. Erinevate söövitustejärgne pinnakoostis sõltus kasutatud söövitajast: oksüdeeriva Br2-MeOH lahuse kasutamine jättis kristallide pinnale Sn-Br, Sn-O ja elementaarse kalkogeeni. KCN vesilahus eemaldas täielikult kalkogeeni, kuid oksiidid ja bromiidid jäid alles, mis CdS sadestamise tsüklis mõjutasid puhverkihi koostist ja omadusi. Söövituste tulemusena paranes päikesepatareide efektiivsus. Leiti, et CZTS monoterakiht päikesepatarei p-n siirde omaduste parandamiseks on võimalik kasutada ka CBD-ZnSnS3 vahe-puhverkihti. Sadestatud ZnSnS3 on polümeriseerunud kalkogeniid-võrgustik, mis on püsiv kuumutamisel kuni 450oC-ni. Leiti, et CZTS materjalide kristallstruktuuri korrastatuse astet on võimalik reguleerida madaltemperatuurse järellõõmutusega, mis tõstab Voc väärtust kuni 180 mV.