Stabilisering av CZTS-ytan genom kontroll av partialtryck
| Ordlista: | |
| Irreversibel | Oåterkallelig, en reaktion som bara kan gå åt ett håll. |
| Gittervibrationer | Vibrationer hos atomerna i gittret, d.v.s. kristallstrukturen. |
| Partialtryck | Tryck från ett enskilt ämne i en gasfas. |
En viktig skillnad mellan CZTS- och CIGS-solceller är materialens stabilitet, särskilt under hög temperatur och vakuum. För CZTS ger en hög temperatur upphov till förluster av tenn (Sn) som har kopplats till avdunstning av SnS. Detta är ett problem framför allt vid ytan där produkterna kan transporteras iväg och reaktionen blir irreversibel. I denna studie undersöktes möjliga modeller för att förklara sönderdelningen och förlusten av SnS. Modellerna jämfördes sedan med experimentella data och också drivkraften bakom processen analyserades.
Den första modellen för att beskriva sönderdelningsprocessen är en reversibel enstegsreaktion där CZTS sönderdelas och SnS samt S2 utvecklas direkt till gasfas. För denna kan reaktionen utlösas av slumpmässiga fluktuationer, till exempel gittervibrationer, som beror på temperaturen. Reversibiliteten beror på partialtrycket S2 och SnS i gasfasen eftersom dessa krävs för att reaktionen ska gå tillbaka. För varje temperatur kan man därför härleda en kritisk gräns för partialtrycken då reaktionshastigheten är noll och sönderdelningen av CZTS är lika stor som återbildningen. En stabil yta av CZTS kräver därmed i denna modell att både SnS och S2 förekommer i den omgivande gasfasen. För den andra modellen beskrivs processen med två steg. I den första reaktionen sönderdelas CZTS och SnS kvarstår på ytan medan S2 avges, och i den andra reaktionen avges SnS från ytan till gasfasen. Dessa två reaktioner kan sammanställas för att få ett komplett uttryck för reaktionshastigheten, som för en viss temperatur också ses bero på partialtrycken SnS och S2. Även för denna modell finns därför tröskelvärden för varje temperatur då både SnS och S2 krävs i gasfasen för stabilitet. I en gasfas med enbart S2 är dock fortfarande den första reaktionen reversibel eftersom SnS då inte förekommer i gasfas, och enbart den andra reaktionen där SnS avges blir irreversibel. För modell II kommer alltså partialtrycket S2 att ha en effekt på reaktionshastigheten även utan SnS, vilket inte ses i den första modellen.
I den experimentella delen tillverkades CZTS-filmer med sputtring och värmebehandlades sedan under 550°C, där sönderdelningen ägde rum. Under värmebehandlingen flödade Ar med en kontrollerad hastighet över en svavel och en SnS-källa som sedan blandades och fördes in i värmekammaren, och på grund av det konstanta flödet kunde de respektive partialtrycken beräknas från massförändringen hos källorna.
Båda modellerna hade förutsett en konstant reaktionshastighet, vilket också till en viss gräns syntes experimentellt. Den viktigaste skillnaden mellan modellerna var att modell I förutsåg att partialtrycket S2 inte skulle ha någon betydelse utan SnS, medan modell II förutsåg att reaktionshastigheten skulle minska med ökat tryck av S2. Här följde experimentet modell II, som alltså bedömdes vara mest realistisk. I experimentet bestämdes även de kritiska tryck som krävdes för att stabilisera CZTS-ytan.
Drivkraften för instabiliteten har tidigare hänvisats till det höga ångtrycket för SnS. Dock förekommer inte SnS i gasfas i den första reaktionen i modell II där sönderdelningen äger rum, vilket motsäger denna förklaring. Denna studie visar därför att det är troligare att processen drivs av en redoxpotential där tenn reduceras från Sn(IV) i CZTS till Sn(II) i SnS. Då S2 fungerar som ett oxidationsmedel kommer dess partialtryck att avgöra redox-miljön och därmed stabiliteten för Sn i CZTS.
Reaktionerna som beskrivits erbjuder en förklaring till att CZTS inte bör produceras i ett steg vid hög temperatur som exempelvis CIGS-solceller, utan i två steg där materialet deponeras vid låg temperatur och sedan värmebehandlas. Förståelse för processen och de nödvändiga partialtrycken kan användas för att ytterligare utveckla och kontrollera förutsättningar för värmebehandlingen och ge produktion av CZTS-filmer med ännu högre kvalitet.
Läs originalartikeln här