CZTS

Le CZTS, de l'anglais copper zinc tin sulfide (sulfure de cuivre, de zinc et d'étain), est un composé chimique de formule Cu2ZnSnS4. Il s'agit d'un semiconducteur à gap direct constitué de cuivre, de zinc, d'étain et de soufre, et utilisé pour réaliser des cellules photovoltaïques en couches minces. Ces couches peuvent être déposées par diverses méthodes telles que la pulvérisation cathodique, l'évaporation sous vide, l'ablation laser et le dépôt chimique en phase vapeur[4].

CZTS
__ Cu+     __ Zn2+     __ Sn4+     __ S2−
Identification
No CAS 12158-89-3
Propriétés chimiques
Formule Cu2S4SnZnCu2ZnSnS4
Masse molaire[1] 439,44 ± 0,05 g/mol
Cu 28,92 %, S 29,19 %, Sn 27,01 %, Zn 14,88 %,
Propriétés physiques
T° fusion 990 °C[2]
Masse volumique 4,56 g·cm-3[3]
Propriétés électroniques
Bande interdite 1,4 eV à 1,5 eV[4],[5]
Cristallographie
Système cristallin tétragonal[3]
Classe cristalline ou groupe d’espace (no 82)
Paramètres de maille a = 542,7 pm, c = 1 087,1 pm, Z = 2
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Propriétés

La structure cristalline du CZTS est semblable à celle de la stannite Cu2FeSnS4 et de la kësterite Cu2(Zn,Fe)SnS4 (les deux formes peuvent coexister[6]), dans le système quadratique (tétragonal)[4],[7] avec le groupe d'espace I4 (no  82) et les paramètres cristallins a = 542,7 pm, c = 1 087,1 pm, Z = 2. Sous cette forme, la largeur de la bande interdite est de l'ordre de 1,4 eV à 1,5 eV[4],[5]. Il présente un intérêt particulier par rapport aux matériaux concurrents tels que le tellurure de cadmium CdTe et le CIGS CuInxGa1-xSe2 en raison de sa composition chimique, faite d'éléments abondants (il est dépourvu de tellure et d'indium) et non toxiques (il est dépourvu de cadmium). La rareté de l'indium et surtout du tellure sont de nature à compromettre la viabilité économique à long terme des filières à CdTe et à CIGS, tandis que les éléments utilisés par les cellules à CZTS sont très largement disponibles à la surface du globe[8].

Fabrication

La production de cellules en CZTS se heurte à des difficultés pratiques liées à la grande volatilité de certains constituants comme le zinc et le sulfure d'étain(II) qui peuvent s'évaporer dans les conditions opératoires. Une fois le composé quaternaire CZTS formé, il tend encore à se décomposer en composés ternaires et binaires lorsqu'il est soumis à une température supérieure à 500 °C sous vide. Les couches actives en CZTS de meilleure qualité ont été obtenues par certaines méthodes de dépôt chimique en phase vapeur qui permettent d'opérer à des températures moins élevées et de s'affranchir des problèmes de volatilité des constituants du matériau.

Développement et performances

Les cellules photovoltaïques en CZTS sont encore au stade expérimental. Des essais avec des matériaux comprenant également du sélénium permettent de moduler la largeur de bande interdite entre 1,3 eV pour le CZTS pur et 0,95 eV pour le CZTSe pur[9]. Les laboratoires IBM ont atteint en 2010 avec de telles cellules de rendements de 9,6 % avec du soufre pur et de 9,3 % avec du sélénium pur[10], tandis que l'amélioration de la qualité des couches actives en CZTS a conduit en 2014 à des rendements de 12,0 % en laboratoire[11]. L'entreprise japonaise Solar Frontier (en) de photovoltaïque à couches minces a annoncé en novembre 2013 avoir développé, conjointement avec les laboratoires IBM, des cellules solaires en CZTSSe affichant un taux de conversion d'énergie de 12,6 %[12].

Notes et références
  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. (en) H. Matsushita, T. Ichikawa et A. Katsui, « Structural, thermodynamical and optical properties of Cu2-II-IV-VI4 quaternary compounds », Journal of Materials Science, vol. 40, no 8,‎ , p. 2003-2005 (DOI 10.1007/s10853-005-1223-5, Bibcode 2005JMatS..40.2003M, lire en ligne)
  3. (en) L. Guen, « Electrical, magnetic, and EPR studies of the quaternary chalcogenides Cu2AIIBIVX4 prepared by iodine transport », Journal of Solid State Chemistry, vol. 35, no 1,‎ , p. 10-21 (DOI 10.1016/0022-4596(80)90457-0, Bibcode 1980JSSCh..35...10G, lire en ligne)
  4. (en) Masaya Ichimura et Yuki Nakashima, « Analysis of Atomic and Electronic Structures of Cu2ZnSnS4 Based on First-Principle Calculation », Japanese Journal of Applied Physics, vol. 48, no 9R,‎ , article no 090202 (DOI 10.1143/JJAP.48.090202, Bibcode 2009JaJAP..48i0202I, lire en ligne)
  5. (en) Hironori Katagiri, Kotoe Saitoh, Tsukasa Washio, Hiroyuki Shinohara, Tomomi Kurumadani et Shinsuke Miyajima, « Development of thin film solar cell based on Cu2ZnSnS4 thin films », Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 65, nos 1-4,‎ , p. 141-148 (DOI 10.1016/S0927-0248(00)00088-X, lire en ligne)
  6. (en) Shiyou Chen, X. G. Gong, Aron Walsh et Su-Huai Wei, « Crystal and electronic band structure of Cu2ZnSnX4 (X=S and Se) photovoltaic absorbers: First-principles insights », Applied Physics Letters, vol. 94, no 4,‎ , article no 041903 (DOI 10.1063/1.3074499, Bibcode 2009ApPhL..94d1903C, lire en ligne)
  7. (en) H. Katagiri, M. Nishimura, T. Onozawa, S. Maruyama, M. Fujita, T. Sega et T. Watanabe, « Rare-metal free thin film solar cell », Proceedings of the Power Conversion Conference — Nagaoka 1997,‎ (DOI 10.1109/PCCON.1997.638392, lire en ligne)
  8. (en) Cyrus Wadia, A. Paul Alivisatos et Daniel M. Kammen, « Materials Availability Expands the Opportunity for Large-Scale Photovoltaics Deployment », Environmental Science & Technology, vol. 43, no 6,‎ , p. 2072-2077 (PMID 19368216, DOI 10.1021/es8019534, Bibcode 2009EnST...43.2072W, lire en ligne)
  9. (en) M. Grossberg, J. Krustok, J. Raudoja, K. Timmo, M. Altosaar et T. Raadik, « Photoluminescence and Raman study of Cu2ZnSn(SexS1 − x)4 monograins for photovoltaic applications », Thin Solid Films, vol. 519, no 21,‎ , p. 7403-7406 (DOI 10.1016/j.tsf.2010.12.099, Bibcode 2011TSF...519.7403G, lire en ligne)
  10. (en) Teodor K. Todorov, Kathleen B. Reuter et David B. Mitzi, « High-Efficiency Solar Cell with Earth-Abundant Liquid-Processed Absorber », Advanced Materials, vol. 22, no 20,‎ , E156-E159 (PMID 20641095, DOI 10.1002/adma.200904155, lire en ligne)
  11. (en) Mark T. Winkler, Wei Wang, Oki Gunawan, Harold J. Hovel, Teodor K. Todorov et David B. Mitzi, « Optical designs that improve the efficiency of Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cells », Energy & Environmental Science, vol. 7, no 3,‎ , p. 1029-1036 (DOI 10.1039/C3EE42541J)
  12. (en) Wei Wang, Mark T. Winkler, Oki Gunawan, Tayfun Gokmen, Teodor K. Todorov, Yu Zhu et David B. Mitzi, « Device Characteristics of CZTSSe Thin-Film Solar Cells with 12.6% Efficiency », Advanced Energy Materials, vol. 4, no 7,‎ , article no 1301465 (DOI 10.1002/aenm.201301465, lire en ligne)
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