Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

Получение и исследование электропроводности Cu2ZnSnS4

Захвалинский В.С. 1 Нгуен Тхи Тхам Хонг 1 Фам Тхи Тхао 1 Хмара А.Н. 1
1 Белгородский государственный национальный исследовательский университет
1. Lewerenz, H.-J.; Jungblut, H. Photovoltaik – Grundlagen und Anwendungen. Springer-Verlag, 1995.
2. Плеханов С.И., Наумов А.В. Оценка возможностей роста производства солнечных элементов на основе CdTe, CIGS и GaAs/Ge в период 2010-2025 гг. ОАО НПП «Квант», 2010.
3. Photovolt / I. Repins, M. A. Contreras, B. Egaas, C. DeHart, J. Scharf, C. L. Perkins, B. To, and R. Noufi Prog. // Res. Appl. – 2008. – № 16. – 235c.
4. Tsuji I., Shimodaira Y., Kato H., Kobayashi H., and Kudo A. // Chem. Mater. 22, 1402, 2010.
5. Ikeda S., Nakamura T., Harada T., and Matsumura M., Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 13943, 2010.
6. Влияние различного упорядочения в слоях металлов на электронную энергетическую структуру Cu2ZnSnS4 / Б.В. Габрельян, А.А. Лаврентьев, И.Я. Никифоров. – 2012.
7. Thermal decomposition of thiourea complexes of Cu(I), Zn(II), and Sn(II) chlorides as precursors for the spray pyrolysis deposition of sulfide thin films / J. Madarasz, P. Bombicz, M. Okuya, S. Kaneko. // Solid State Ionics. – 2001.
8. Tanaka K., Moritake N., Uchiki H. Preparation of Cu2ZnSnS4 thin films by sulfurizing sol–gel deposited precursors // Solar Energy Materials & Solar Cells. – 2007. – № 91. – C. 1199–1201.
9. Mott N. and Davies E.A. Electron Processes in Non-Crystalline Materials, Clarendon, Oxford, 1979; Mott N.F., Metal–Insulator Transitions, Taylor and Francis, London, 1990.
10. Shklovskii B.I. and Efros A.L. Electronic Properties of Doped Semiconductors, Springer, Berlin, 1984.
11. Transport Properties of Cu2ZnSnS4, Moldavian Journal of the Physical Sciences / M. Guc, K.G. Lisunov, A. Nateprov, S. Levcenko, V. Tezlevan, and E. Arushanov, V. 11, № 1-2, (2012), pp. 41-51.
12. Laiho R., Lisunov K.G., L¨ahderanta E., Petrenko P.A., Salminen J., Shakhov M.A., Safontchik M.O., Stamov V.N., Shubnikov M.L., Zakhvalinskii V.S. J. Phys.: Cond. Matter 14, 8043 (2002).

Одними из перспективных материалов для тонких поглощающих солнечную энергию слоёв в фотовольтаических структурах являются кестериты Cu2ZnSn(S,Se)4. Эти четверные соединения являются прямозонными полупроводниками с шириной запрещённой зоны 1-1,5 эВ и большим коэффициентом поглощения (~ 104 см-1) [1, 2]. Несомненным преимуществом этих материалов является низкая цена и отсутствие токсичности. Возможно, со временем эти материалы составят конкуренцию дорогим высокопоглощающим слоям CuIn1−xGaxSe2 используемым в солнечных элементах и демонстрирующим эффективность ~ 20 % [3]. Cu2ZnSnS4 так же привлекает интерес исследователей как термоэлектрический материал и материал фотокатода для извлечения водорода из воды [4, 5].

Основными для Cu2ZnSnS4 являются структуры кестерита с пространственной группой Eqn33.wmf и станнита c пространственной группой Eqn34.wmf. В этих структурах подрешетки, занятые атомами S одинаковы, а атомы металлов размешаются по разному. В структуре кестерита чередуются слои Сu–Sn и Cu-Zn, а в структуре станнита слои Zn–Cu и Cu–Cu [6].Было установлено, что наиболее стабильной структурой для Cu2ZnSnS4 является структура кестерита, но разница в полной энергии со структурой станнита невелика [6].

В настоящей работе описана технология получения и приведены результаты исследования температурных зависимостей электропроводности поликристаллических образцов Cu2ZnSnS4.

Эксперимент

Синтез кестерита Cu2ZnSnS4 был осуществлён методом пиролитического разложения стехиометрической смеси солей CuCl2·2H2O (0,01 M), ZnCl2 (0,005 M), SnCl2·2H2O (0,005 M) и тиомочевины SC(NH2)2 предварительно растворенных в 50 %-м спиртовом растворе. Полученный раствор был подвергнут сушке при температуре 70-80 °С в течении 30 часов. Затем материал был измельчён. Полученный порошок подвергался отжигам в печи при температуре 400-450 °С в течении часа в слабом вакууме для полного удалении Cl2.

Cu2ZnSnS4 был получен по следующей реакции:

Eqn35.wmf

Был проведен рентгенофазовый анализ образца на диффрактометре Rigaku IV на порошке, съёмка θ –2θ, в диапазоне углов 10-100 град., шаг 0,04 град., скорость 2 град./мин, фильтр Ni (Kβ), Cu Kα λ = 1,54056 Å, без монохроматора, в геометрии Брен-Брентано. Полученная порошковая диффрактограмма приведена на рис. 1.

pic_34.tif

Рис. 1. Спектр порошковой дифракции образца Cu2ZnSnS4

Основные пики на рис. 1 совпадают по положению и относительной интенсивности с полученными в работах [7, 8]. Что подтверждает факт синтеза кестерита Cu2ZnSnS4.

Электропроводность была исследована на прессованных поликристаллических образцах в форме параллелепипеда 2,6×7,8×1,4 мм3. Измерения были проведены стандартным четырёхзондовым методом в диапазоне температур от 10 до 320 К.

Результаты и обсуждение

На рис. 2 представлены результаты исследования четырёхзондовым методом температурной зависимости удельного сопротивления в диапазоне температур от 10 до 300 К. Как видно из рис. 2, с понижением температуры удельное сопротивление возрастает. Для описания электропроводности в сильно легированных, неупорядоченных и аморфных полупроводниках часто привлекают различные механизмы прыжковой проводимости.

Согласно существующим теоретическим представлениям, температурная зависимость удельного сопротивления ρ(T) в режиме прыжковой проводимости описывается универсальным законом [9, 10]:

Eqn36.wmf (1)

где Ap постоянный предэкспоненциальный множитель, T0p является характерной прыжковой температурой, р = 1 соответствует механизму проводимости по ближайшим соседям; в режиме прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка (ПППДП) р = 4 при механизме Мотта, а р = 2 соответствует проводимости типа Шкловского – Эфроса (ШЭ) [10].

pic_35.tif

Рис. 2. Температурная зависимость удельного сопротивления Cu2ZnSnS4

Температурная зависимость удельного сопротивления Cu2ZnSnS4 в координатах Eqn37.wmf при понижении температуры в диапазоне от Tm ≈ 60 K до Tv ≈ 180 K зависимость становится линейной, что прекрасно согласуется с законом Мотта. Вычисленная из наклона этой зависимости величина T04 составила 2,5∙104.

Важный параметр, определяющий проводимость:

Eqn38.wmf (2)

Из формулы (2) получаем W0 = 50,1 мэВ. Этот параметр связан с шириной примесной зоны, W ≈ W0/2. Полученное значение W0 сопоставимо с полученным на образцах Cu2ZnSnS4 в [11], где для некоторых образцов Cu2ZnSnS4 достигало W0 = 45,1 мэВ.

Заключение

Таким образом, нам удалось синтезировать кестерит Cu2ZnSnS4 и провести рентгенофазовый анализ, подтверждающий результаты синтеза. В настоящей работе были исследованы температурные зависимости электропроводности поликристаллических образцов Cu2ZnSnS4. Анализ этих зависимостей показывает, что поведение сопротивления образца Cu2ZnSnS4 в температурном интервале 60-180 K подчиняется механизму прыжковой проводимости Мотта с переменной длиной прыжка.

Часть результатов приведенных в настоящей работе была получена в рамках выполнения Государственного задания 2.3309.2011.


Библиографическая ссылка

Захвалинский В.С., Нгуен Тхи Тхам Хонг, Фам Тхи Тхао, Хмара А.Н. Получение и исследование электропроводности Cu2ZnSnS4 // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 6. – С. 54-56;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=31973 (дата обращения: 21.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074