Развитие технологии синтеза халькогенидных кристаллов Cu2ZnSnS4 и Cu2ZnSnSe4 для тонкопленочных солнечных элементов
Проект Министерства образования и науки Республики КазахстанИРН: AP08052719
Актуальность проекта Полупроводники CZTS(Se) являются перспективными материалами в качестве поглощающего слоя в тонкопленочных неорганических ФЭП. Благодаря росту качественных кристаллов CZTS появляется возможность создания солнечных элементов с рекордными показателями эффективности конверсии солнечной энергии. В настоящем проекте впервые предлагается использовать раствор-расплавные методы роста для получения функциональных кристаллов Cu2ZnSnS4 и Cu2ZnSnSe4 с оптимальным стехиометрическим составом. Синтезируемые соединения являются перспективными материалами для использования в качестве материалов фотоэлементов в тонкопленочных солнечных батареях.
Цель проекта Разработка научных основ получения качественных халькогенидных кристаллов Cu2ZnSnS4 (CZTS) и Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) раствор-расплавленным методом роста для их возможного применения в качестве адсорбирующего слоя фотоэлектрического преобразователя солнечного света.
Задачи проекта
1) Подбор подходящего растворителя, для выращивания кристаллов CZTS и CZTSe. Растворители будет подбираться экспериментальным путем из числа солей щелочных металлов и их эвтектических смесей на основе следующих требований: низкая температура плавления, низкое давление насыщенных паров, отсутствие реакции с кварцевым стеклом, растворимость в воде, достаточная степень растворимости комплексных соединений Cu,Zn,Sn.
2) Получение монофазных кристаллов, а также промежуточных составов их твердых растворов.
3) Оценка влияния параметров эксперимента (состав шихты, состав растворителя, температура перекристаллизации), на стехиометрию и электрофизические свойства кристаллов с целью разработки оптимальной технологий получения.
4) Разработка технологических приемов получения кристаллов CZTS(Se) для использования в тонкопленочных солнечных элементах с учетом состава шихты, температуры перекристаллизации и состава растворителя.
Основные члены проекта
1) Руководитель проекта - к.х.н., профессор Уралбеков Б.М.
ResearcherID: GBZ-9921-2022
Google Scholar: https://scholar.google.com/citationsuser=1HXyU5wAAAAJ&hl=ru&oi=ao
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3245-4096
ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Bolat-Uralbekov
2) к.г-м.н. Кох К.А.
ResearcherID: CYQ-4234-2022
Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?user=uzTTxDkAAAAJ&hl=ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1967-9642
ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Konstantin-Kokh
3) Бахадур А.М.
ResearcherID: AAR-1894-2020
Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?hl=ru&user=8A3-L0oAAAAJ
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3315-7835
ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Askar-Bakhadur
Используемые методы
1. Раствор-расплавный метод роста кристаллов
2. Оптическая микроскопия
3. Сканирующая электронная микроскопия
4. Рентгенофазовый анализ
5. Колебательная спектроскопия
6. Дифференциальный термический анализ
Ожидаемые результаты
1) Будут разработаны методика(и) контролируемого роста монофазных кристаллов CZTS(Se) и их твердых растворов с заданной стехиометрией; 2) Будут изучены зависимости электрофизических свойств от стехиометрического состава; 3) Будут созданы научные основы для разработки технологических приемов получения кристаллов CZTS(Se) и других подобных халькогенидных соединении.
Достигнутые результаты
Достигнутые результаты за 2020
Была разработана технология синтеза монофазных кристаллов сульфидного (CZTS) и селенидного (CZTSe) кестерита из элементарных компонентов системы. Установлены оптимальные условия для перекристаллизации кестерита в раствор-расплаве галоидных солей.
Достигнутые результаты за 2021
Был разработан способ контролирования стехимотерией в кристаллах кестерита. Были определены влияния различных параметров синтеза на стехиомтеричский состав CZTS и CZTSe.
Достигнутые результаты за 2022
Разработана инновационная технология получения твердых растворов Cu2ZnSnS4-xSex в безвакуумных условиях. Были определены влияния таких параметров как время и температура на морфологию кристаллов и степень сульфидизации.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ПРОЕКТУ
Статьи в журналах Комитета по обеспечению качества в сфере образования и науки Министерства образования науки Республики Казахстан:
1) Бахадур А.М., Климов А.О., Кох К.А. Синтез однофазного материала Cu2ZnSnSe4 в расплаве солей щелочных металлов // Вестник Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Серия: Химия. География. Экология. – 2020. – Т. 3(132)/2020. ‒ C. 27-33.
Статьи в международных журналах:
2) Galiyeva, P., Rinnert, H., Balan, L., Alem, H., Medjahdi, G., Uralbekov, B., & Schneider, R. (2021). Single-source precursor synthesis of quinary AgInGaZnS QDs with tunable photoluminescence emission. Applied Surface Science, 150143.
3) Bakhadur, A. M., Uralbekov, B. M., Atuchin, V. V., Mukherjee, S., & Kokh, K. A. (2022). Single-phase CZTSe via isothermal recrystallization in a KI–KCl flux. CrystEngComm, 24(12), 2291-2296.
Тезисы материалы конференций (ФИО докладчика подчеркнуто):
1) Kokh K.A., Atuchin V.V., Bakhadur A.M., Klimov A.O., Mukherjee S. Тезисы докладов с международным участием Термодинамика и материаловедение (российско-китайский семинар “Advanced materials and structures”) – Новосибирск, ИНХ СО РАН, 2020, 242 с.
2) Бахадур А.М., Уралбеков Б.М., Кох К.А. Перекристаллизация кестерита в галогенидных расплавах Труды Х международного Беремжановского съезда по химии и химической технологии – Алматы, КазНУ, 2019, 65 с.
Потенциальным пользователям проекта:
Целевые потребители полученных результатов являются компании, использующие фотоэлектрические преобразователи в устройствах преобразования энергии; разработчики фотоэлементов; исследовательские компании в области синтеза и изучения свойств рассматриваемых материалов.