Quelltext der Seite Kupfer-Zink-Zinnsulfid

{{Infobox Chemikalie
| Strukturformel      = [[Datei:Kristallstruktur Kesterit.png|200px|Kristallstruktur von CZTS]]
| Kristallstruktur    = Ja
| Strukturhinweis     = {{Farbe |#FF4500 |Kreis=1}} [[Kupfer|Cu]]<sup>+</sup> {{0}} {{Farbe |#CFCFCF |Kreis=1}} [[Zink|Zn]]<sup>2+</sup>{{0}} {{Farbe |#5CACEE |Kreis=1}} [[Zinn|Sn]]<sup>4+</sup>{{0}} {{Farbe |#FFFF00 |Kreis=1}}  [[Schwefel|S]]<sup>2−</sup>
| Andere Namen        = *Kesterit (Mineral)
* CZTS
| Summenformel        = Cu<sub>2</sub>ZnSnS<sub>4</sub>
| CAS                 = {{CASRN|12158-89-3}}
| EG-Nummer           = 
| ECHA-ID             = 
| PubChem             = 
| ChemSpider          = 
| DrugBank            = 
| Beschreibung        = 
| Molare Masse        = 439,5 g·[[mol]]<sup>−1</sup>
| Aggregat            = fest
| Dichte              = 
| Schmelzpunkt        = 990 °C<ref name="Quellname">H. Matsushita, T. Ichikawa, A. Katsui: ''Structural, thermodynamical and optical properties of Cu2-II-IV-VI4 quaternary compounds.'' In: ''Journal of Materials Science.'' Band 40, Nr.&nbsp;8, 2005, S.&nbsp;2003–2005, [[doi:10.1007/s10853-005-1223-5]].</ref>
| Siedepunkt          = <!-- °C <ref name="Quellname" /> -->
| Dampfdruck          = <!-- [[Pascal (Einheit)|Pa]] ( °C) <ref name="Quellname" /> -->
| Löslichkeit         = <!-- ??? löslich in ???:  g·l<sup>−1</sup> ( °C) <ref name="Quellname" /> -->
| Quelle GHS-Kz       = NV<!--basierend auf EU-GefStKz durch Bot ergänzt-->
| GHS-Piktogramme     = {{GHS-Piktogramme|/}}
| GHS-Signalwort      = 
| H                   = {{H-Sätze|/}}
| EUH                 = {{EUH-Sätze|/}}
| P                   = {{P-Sätze|/}}
| Quelle P            = 
| MAK                 = 
}}

'''Kupfer-Zink-Zinnsulfid''' (abgekürzt '''CZTS''' von {{enS|copper, zinc, tin sulfide}}) ist eine [[Halbleiter|halbleitende Verbindung]] von [[Kupfer]], [[Zink]], [[Zinn]] und [[Schwefel]]. Aufgrund der optoelektronischen Eigenschaften wird sie wird für die Anwendung in [[Solarzelle#Dünnschichtzellen|Dünnschichtsolarzellen]] erforscht. Besonders interessant ist dieses Material als mögliche Alternative zu herkömmlichen Dünnschicht-Technologien wie [[Cadmiumtellurid|CdTe]] oder [[CIGS-Solarzelle|CIGS]], welche auf [[Liste der Häufigkeiten chemischer Elemente|seltenen]] oder giftigen Elementen basieren.

== Eigenschaften ==
CZTS kristallisiert ähnlich wie [[Stannit]] (Cu<sub>2</sub>FeSnS<sub>4</sub>) und [[Kesterit]] (Cu<sub>2</sub>(Zn,Fe)SnS<sub>4</sub>) im [[Tetragonales Kristallsystem|tetragonalen Kristallsystem]]<ref>H. Katagiri, M. Nishimura, T. Onozawa, S. Maruyama, M. Fujita, T. Sega, T. Watanabe: ''Rare-metal free thin film solar cell.'' In: ''Proceedings of the Power Conversion Conference – Nagaoka 1997.'' Band 2, 1997, S. 1003–1006 ([http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=638392 Abstract])</ref><ref name="Ichimura2009">Masaya Ichimura, Yuki Nakashima: A''nalysis of Atomic and Electronic Structures of Cu2ZnSnS4 Based on First-Principle Calculation.'' In: Japanese Journal of Applied Physics. Band 48, 2009, S. 090202, [[doi:10.1143/JJAP.48.090202]].</ref> mit der {{Raumgruppe|I-4|lang}} und den Gitterparametern a&nbsp;=&nbsp;0,5427&nbsp;nm und c&nbsp;=&nbsp;1,0871&nbsp;nm.<ref>Alfons Weber: ''Wachstum von Dünnschichten des Materialsystems Cu-Zn-Sn-S.'' (Dissertationsarbeit, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2009, [https://open.fau.de/handle/openfau/1121 PDF], abgerufen am 15. August 2024).</ref>
In dieser Form besitzt das Material einen direkten [[Bandübergang]] mit einer [[Bandabstand]]senergie von 1,4–1,5&nbsp;eV.<ref name="Ichimura2009" /><ref>{{Literatur |Autor=Hironori Katagiri, Kotoe Saitoh, Tsukasa Washio, Hiroyuki Shinohara, Tomomi Kurumadani, Shinsuke Miyajima |Titel=Development of thin film solar cell based on Cu2ZnSnS4 thin films |Sammelwerk=[[Solar Energy Materials and Solar Cells]] |Band=65 |Nummer=1–4 |Datum=2001 |Seiten=141–148 |DOI=10.1016/S0927-0248(00)00088-X}}</ref>

== Verwendung ==
Durch die für Solarzellen geeigneten physikalischen Eigenschaften (Größe des Bandabstandes, Absorption) ergibt sich unter anderem eine Anwendung als elektrisch aktive Schicht in [[Solarzelle#Dünnschichtzellen|Dünnschichtsolarzellen]] (vgl. [[Photovoltaik]]). Die Abscheidung von CZTS-Schichten kann dabei über diverse Beschichtungsverfahren erfolgen, beispielsweise [[Sputterdeposition]], [[thermisches Verdampfen]], [[Laserablation]], [[chemische Gasphasenabscheidung]] (CVD), oder lösungsbasierte Techniken.<ref name="Ichimura2009" /><ref name=":0">{{Literatur |Autor=W. Wang,  M. T. Winkler, O. Gunawan, T. Gokmen, T. K. Todorov, Y. Zhu, D. B. Mitzi |Titel=Device Characteristics of CZTSSe Thin-Film Solar Cells with 12.6% Efficiency |Sammelwerk=[[Advanced Energy Materials]] |Band=4 |Nummer=7 |Datum=2013 |Seiten=1301465 |DOI=10.1002/aenm.201301465}}</ref> Im Vordergrund für eine kommerzielle Nutzung steht jedoch weniger der Bandabstand, den auch diverse andere Materialien bieten, sondern das Fehlen seltener [[Chemisches Element|Elemente]] wie [[Indium]] oder [[Gallium]] im Vergleich zur Verwendung von [[Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid|CIGS]].

Solarzellen auf CZTS-Basis befinden sich weiterhin im Bereich der Forschung. Forscher der [[Technische Universität Tallinn|Technischen Universität Tallinn]] entwickelten Pulver-basierte [[Monokorn-Membran]]-Solarzellen<ref>{{Literatur |Autor=Enn Mellikov, Dieter Meissner, Tiit Varema, Mare Altosaar, Marit Kauk, Olga Volobujeva, Jaan Raudoja, Katri Timmo and Mati Danilson |Titel=Monograin materials for solar cells |Sammelwerk=[[Solar Energy Materials and Solar Cells]] |Band=93 |Nummer=1 |Datum=2009 |Seiten=65–68 |DOI=10.1016/j.solmat.2008.04.018}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Katri Timmon, Mare Altosaar, Jaan Raudoja, Katri Muska, Maris Pilvet, Marit Kauk, Tiit Varema, Mati Danilson, Olga Volobujeva, Enn Mellikov |Titel=Sulfur-containing Cu<sub>2</sub>ZnSnSe<sub>4</sub> monograin powders for solar cells |Sammelwerk=[[Solar Energy Materials and Solar Cells]] |Band=94 |Nummer=11 |Datum=2010 |Seiten=1889–1892 |DOI=10.1016/j.solmat.2010.06.046}}</ref>, die zusätzlich [[Selen]] (Se) enthalten. Dieses auch mit CZTSSe bezeichnete Material lässt sich in seiner Bandlücke stufenlos zwischen der des reinen Sulfids (CZTS, Bandlücke bei 1,5&nbsp;eV) und der des reinen Selenids (CZTSe, Bandlücke bei 1,0&nbsp;eV) verschieben.<ref>{{Literatur |Autor=Maarja Grossberg, Jüri Krustok, Jaan Raudoja, Katri Timmo, Mare Altosaar, Taavi Raadik |Titel=Photoluminescence and Raman study of Cu<sub>2</sub>ZnSn(Se<sub>x</sub>S<sub>1−x</sub>)<sub>4</sub> monograins for photovoltaic applications |Sammelwerk=Thin Solid Films |Band=519 |Nummer=21 |Datum=2011-08-31 |Seiten=7403–7406 |DOI=10.1016/j.tsf.2010.12.099}}</ref> Mit diesen Solarzellen wurde 2009 mit 5,9 % der erste unabhängig zertifizierte [[Wirkungsgrad]] von CZTS-Solarzellen erreicht,<ref>{{Internetquelle |url=http://www.crystalsol.com/ |titel=crystalsol reaches 5.9% conversion efficiency |hrsg=crystalsol |datum=2009-02 |sprache=en |abruf=2017-08-26 |kommentar=Fundstelle unter „News“}}</ref> der bis 2013 auf 12,6 % für CZTSSe gesteigert werden konnte.<ref name=":0" /> Die TUT-[[Spin-off (Innovationsmanagement)|Ausgründung]] [[crystalsol]]<ref>[http://www.crystalsol.com/ Firmenwebsite], abgerufen am 26. August 2017.</ref> entwickelt auf dieser Basis eine Modulfertigung in [[Estland]] und [[Österreich]]. Von besonderem praktischen Interesse ist auch der extrem niedrige Temperaturkoeffizient dieses Solarzellen-Materials, der mit 0,013 %/K deutlich unter dem anderer Solarzellen-Materialien liegt<ref>{{Literatur |Autor=Jüri Krustok, Raavo Josepson, Mati Danilson, Dieter Meissner |Titel=Temperature dependence of Cu<sub>2</sub>ZnSn(Se<sub>x</sub>S<sub>1-x</sub>)<sub>4</sub> monograin solar cells |Sammelwerk=[[Solar Energy]] |Band=84 |Nummer=3 |Datum=2010 |Seiten=379–383 |DOI=10.1016/j.solener.2009.09.011}}</ref>.
Forscher von [[IBM]] erreichten mit aus [[Hydrazin]]-Lösungen aufgebrachten Solarzellen Wirkungsgrade von 9,6 Prozent für reines Sulfid (CZTS) und von 9,3 Prozent für reines Selenid (CZTSe).<ref>{{Literatur |Autor=Teodor K. Todorov, Kathleen B. Reuter, David B. Mitzi |Titel=High-Efficiency Solar Cell with Earth-Abundant Liquid-Processed Absorber |Sammelwerk=Advanced Materials |Band=22 |Nummer=20 |Datum=2010 |Seiten=E156–E159 |DOI=10.1002/adma.200904155}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Kevin Bullis |url=https://www.heise.de/newsticker/meldung/IBM-Forschung-verbessert-Solarzellen-927808.html |titel=IBM-Forschung verbessert Solarzellen |werk=Heise online |datum=2010-02-11 |abruf=2010-02-12}}</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=H. Katagiri, M. Nishimura, T. Onozawa, S. Maruyama, M. Fujita, T. Sega, T. Watanabe |Titel=Rare-metal free thin film solar cell |Sammelwerk=Proceedings of the Power Conversion Conference – Nagaoka 1997 |Band=2 |Datum=1997 |Seiten=1003–1006 |Kommentar=Informationen zum Bandabstand, Herstellung und Gitteraufbau |DOI=10.1109/PCCON.1997.638392}}
* {{Literatur |Autor=R. Hoffman |Titel=Materials for CZTS Photovoltaic Devices |Sammelwerk=NNN REU Research Accomplishmenta |Datum=2009 |Seiten=82–83 |Online=[http://www.nnin.org/sites/default/files/files/2009reura/2009NNINreuHoffman.pdf PDF] |Abruf=2017-08-26}}

[[Kategorie:Verbindungshalbleiter]]
[[Kategorie:Kupferverbindung]]
[[Kategorie:Zinkverbindung]]
[[Kategorie:Zinnverbindung]]
[[Kategorie:Sulfid]]