"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8964
ETF8964 "Päikesepatarei Cu2ZnSn(Se,S)4–tüüpi absorbermaterjalide süntees, omaduste kujundamine ja p-n siirde formeerimine. (1.01.2011−31.12.2014)", Mare Altosaar, Tallinna Tehnikaülikool, Keemia ja materjalitehnoloogia teaduskond.
ETF8964
Päikesepatarei Cu2ZnSn(Se,S)4–tüüpi absorbermaterjalide süntees, omaduste kujundamine ja p-n siirde formeerimine.
Synthesis and tailoring the properties of Cu2ZnSn(Se,S)4-type powders as solar cell absorber materials and formation of p-n junction on their bases
1.01.2011
31.12.2014
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
01.01.2011−31.12.201111 295,60 EUR
01.01.2012−31.12.201211 295,60 EUR
01.01.2013−31.12.201311 295,60 EUR
01.01.2014−31.12.201411 295,60 EUR
45 182,40 EUR

Projekti sisuks on uuringud, mis hõlmavad seniuurimata probleeme CZTSSe monoterapulbrite sünteesil erinevate sulade soolade keskkonnas.Uurimistöö teema on innovatiivne. Uuritakse uudsete ja perspektiivsete päikesepatarei absorbermaterjalide sünteesi ja nende optilisi, elektrilisi jm. omadusi ja nende omaduste kujunemist sõltuvalt sünteesil kasutatavast sulandajast, sünteesitava ühendi koostisest ja selle kõrvalekaldest stöhhiomeetriast, termotöötluse tingimustest ja muudest tehnoloogilistest parameetritest. Projekti eesmärgiks on 1) leida tingimused ühefaasilise CZTSSe absorbermaterjali kasvatamiseks sulade soolade keskkonnas ja 2) välja selgitada parim monoterakiht-päikeseenergia muundurites kasutatav uudse ja odava absorbrmaterjali koostis uurides CZTSSe absorbermaterjali omaduste muutumist sõltuvalt molekulaarsetest ja stöhhiomeetrilistest kõrvalekalletest. Uuritakse nelikühendite Cu2ZnSnSe4, Cu2SnSnS4 ja nende tahkete lahuste pulbrite moodustumist sulades KI, NaI, CdI2, ZnI2-s selgitades välja sulade soolade ja kasutatavate prekursor-materjalide keemilisi ja füüsiko-keemilisi vastasmõjusid kasutades erinevaid meetodeid: DTA, XRD, XPS, RAMAN, ICP-MS, EDX, SEM jm. Projekt hõlmab ka uuringuid mis on suunatud selgitamaks välja parim absorbermaterjali pinnatöötlus p-n siirde formeerimiseks päikesepatarei uudsele absorbermaterjalile. Tulemusi kontrollitakse päikesepatarei väljundparameetrite kaudu. Projekti ülesandeks on tulemuslikult töötava odava päikesepatarei absorbermaterjali saamine. Uurimistöö teema on innovatiivne. Planeeritaks 2-3 artikli avaldamist igal aastal. Töö arenduslikud tulemused patenteeritakse. Uurimistöö käigus saadavad teadmised ja kogemused leiavad kasutamist OÜ Crystalsol poolt arendatavates pooljuhtstruktuurides lõppeesmärgiga saada konkurentsivõimeliste parameetritega odavad päikesepatareid. Projekt annab noorteadlastele (3) võimaluse nende kraadiõppeks
The aim of this project is to study materials and formation processes of CZTSSe monograin powders for CZTSSe monograin layer solar cells. The proposal includes the investigations of the different materials and processes of formation CZTS-type quaternary compounds and their surface modification by chemical etching and thermal treatment and to develop new preparation methods for highly efficient absorber materials. The practical application of these developed materials is planned to use in cheap high efficient solar cells. The project involves: The development of new advanced technologies for preparation absorber materials of different single phase CZTSSe materials with predicted properties; The investigation of the optical, electronic and other important properties and chemical composition of the developed materials in dependence of different technological parameters; The investigation of the formation processes of quaternary compounds for absorber materials. Investigation of chemical and thermal modification of absorber surface for highly efficient p-n junction of solar cells. The investigation of chemical interactions between flux material and precursor materials.All the materials will be synthesized in evacuated quartz ampoules at temperatures higher than the melting temperature of flux material (KI, NaI, CdI2, ZnI2). 1)CuSe, CuS, ZnSe, ZnS, SnSe, SnS and 2)metal powders and elemental Se (+S) will be used as precursors for syntheses of Cu2Zn1-xCdxSn(SeyS1-y)4 solid solutions. DTA method will be used for investigating thermal effects in synthesis process. The unique research complex of SEM, EDS. WDS and EBIC will be used for investigation of surface morphology and chemical composition of the photoactive materials and devices developed. FTIR and UV-VIS spectroscopy methods will be used for characterisation of optical properties of materials and structures. Photoluminescence measurements will be used for determination of defect structure of materials. XRD and Raman spectroscopy studies will be used for investigation crystal structure and phase composition of materials. Electrical measurements to determine electrical properties of developed materials and structures will be done by impedance method in the temperature interval from 10K to 300K. Surface composition of materials and p-n junction of solar cells will be studied by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) using KRATOS XPS research complex.
Projekti raames uuriti päikesepatarei absorbermaterjalide Cu2ZnSnSe4, Cu2ZnSnS4, Cu2Zn1-xCdxSnS4, Cu2CdSnS4 ja Cu2ZnGeSe4 sünteesi, moodustumist, ja omaduste kujunemist erinevates sulades soolades (NaI, KI, CdI2), kasutades komplekselt erinevaid analüüsimeetodeid. Temperatuuride ja aegade varieerimisel leiti Cu2ZnSnSe4 monoterapulbri kristallide kasvumehhanismid ja kasvuparameetrid süntees-kasvatamisel KI-s. Leiti 2põhilist konkureerivat mehhanismi kristallide kasvamiseks: aine ülekanne läbi vedelfaasi ja paakumine. Leiti väärtused n = ~ 4 ja ?Ed = 0.59 (±0.13) eV kristallide lineaarmõõtme kasvu kirjeldamiseks funktsioonina dm ~t1/nexp(-Ed/kT). Näidati, et Cu2ZnSnSe4 moodustumine sulandaja-soola juuresolekul toimub erinevalt, kui kirjanduse andmetel seni uuritud tahkefaasilistes kilelistes sünteesides: põhiline protsess kulgeb kasutatud soola sulamistäpist kõrgematel temperatuuridel soola sulas faasis. Esmakordselt määrati katseliselt Cu2ZnSnSe4 tekkeentalpia NaI-s: -36 ± 3 kJ mol-1 661 oC juures.Leiti, et Cu2ZnSnS4 sünteesil CdI2-s Cd lahustub nelikühendis ja moodustab Cu2Zn1-xCdxSnS4 tahked lahused, milles Cd moolosa x sõltub sünteesitemperatuurist. Cd lahustumisprotsessi aktivatsioonienergiaks leiti 17,5 ± 2 kJ/mol. Kui Cd allikana kasutada CdS-i, siis on KI-s võimalik sünteesida pidev rida Cu2Zn1-xCdxSnS4 tahkeid lahuseid, kus x väärtus muutub nullist kuni üheni. Sünteesitud materjalide keelutsooni väärtus vähenes 1,55-lt kuni 1,41 eV-ni koos x suurenemisega 0-st kuni x=0,4-ni. Samas piirkonnas 0 < x< 0,4 nihkus ka A1Raman piigi asukoht 338-lt 332 cm-1-le ja PL-spektri maksimumi asukoht 1,3- lt 1,1 eV-le. Leiti et koostisel x=0,4 toimub kesteriit-stanniit faasiüleminek. Leiti, et absorbermaterjalide koostist ja omadusi on võimalik muuta kõrgtemperatuursete kahetsooniliste järeltöötlustega kalkogeeni (S, Se) ja/või tina-kalkogeniidi aurudes. Kasutades XPS-i, leiti, et kristallide pinnakoostis erineb sisust. p-n siirde formeerimisel kasutati lisaks kristallide termilistele järeltöötlustele ka pinna keemilist söövitust erinevate selektiivsete söövitajatega.