Дослідження на основі перопринципів напівпроводникових екологічно чистих матеріалів Cu2ZnSnX4 (X = S, Se) для наступного покоління фотоелектричних застосувань

  • Бхану Пракаш Кафедра фізичних наук, Банастхалі Відьяпіт, Банастхалі, Раджастан, Індія https://orcid.org/0009-0000-4936-4874
  • Аджит Сінгх Кафедра фізики, Коледж Дева Нагрі, Мірут, Уттар-Прадеш, Індія
  • Тарун Кумар Джоші Кафедра фізики, Урядовий інститут Свамі Вівекананда P. G. College, Neemuch, Madhya Pradesh, Індія
  • Банварі Лал Чоудхарі Кафедра фізичних наук, Банастхалі Відьяпіт, Банастхалі, Раджастан, Індія https://orcid.org/0000-0002-9785-6547
  • Нейнсі Пандіт Кафедра фізики, Школа суміжних наук, Університет Дев Бхумі Уттаракханд, Дехрадун, Індія
  • Аджай Сінгх Верма Кафедра фізики, Інженерно-технологічна школа Ананда, Університет Шарда, Агра, Індія; Університетський центр досліджень і розвитку, факультет фізики, Університет Чандігарха, Мохалі, Пенджаб, Індія https://orcid.org/0000-0001-8223-7658
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-3-23
Ключові слова: Wien2k-DFT, сонячний елемент Cu2ZnSnX4, структурний, пружність, термоелектричні властивості

Анотація

Напівпровідникові матеріали на основі четвертинної загальної форми A2BCX4 зі структурами кестеритового типу є перспективними кандидатами для виготовлення тонкоплівкових сонячних елементів. Ми дослідили структурні, електричні, оптичні, пружні, термодинамічні та термоелектричні характеристики Cu2ZnSnX4 (X = S, Se) за допомогою методу FP-LAPW з імплантованим кодом Wien2k. Для управління обмінними та кореляційними потенціалами використовуються узагальнений градієнтний підхід Берка-Ернцергофа (PBE-GGA) та модифікований метод Бекке-Джонсона за методом Транс-Блахи (TB‑mBJ). Результати показують, що сполуки Cu2ZnSnS4 та Cu2ZnSnSe4 мають стабільні структури з прямими зонами при 1,51 еВ та 1,29 еВ відповідно. Оптичні характеристики цих сполук були оцінені за допомогою діелектричної функції, що дозволяє проаналізувати їхню відбивну здатність, показник заломлення та поглинання. Такі параметри пружності, як коефіцієнти об'єму, Юнга, П'ю та Пуассона, демонструють, що вони є пластичними та можуть формуватися у вигляді тонких плівок, що є важливою характеристикою фотоелектричних застосувань. Крім того, ми розрахували різні термодинамічні параметри: ентропію та постійний об'єм під тиском і температурою. Ми також визначили, що Cu2ZnSnX4 (X = S, Se) демонструє хороші термоелектричні характеристики щодо коефіцієнта якості при 300K, який майже дорівнює одиниці. Згідно з нашими висновками, ці матеріали є життєздатними кандидатами для майбутніх застосувань у чистій зеленій сонячній енергетиці.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

A. Polman, M. Knight, E.C. Garnett, B. Ehrler and W. C. Sinke, “Photovoltaic materials: Present efficiencies and future challenges,” Science, 352, 4424 (2016). https://doi.org/10.1126/science.aad4424

D.M. Chapin, C.S. Fuller, and G.L. Pearson, “A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power,” Journal of Applied Physics, 25, 676 (1954). https://doi.org/10.1063/1.1721711

G. Li, R. Zhu and Y. Yang, “Polymer solar cells,” Nature Photonics, 6, 153 (2012). https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.11

R.W. Miles, G. Zoppi and I. Forbes, “Inorganic photovoltaic cells,” Materials Today, 10, 20-27 (2007). https://doi.org/10.1016/S1369-7021(07)70275-4

A. Bosio, G. Rosa and N. Romeo, “Past, present and future of the thin film CdTe/CdS solar cells,” Solar Energy, 175, 31-43 (2018). https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.01.018

H.W. Schock and R. Noufi, “CIGS‐based solar cells for the next millennium,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 8, 151-160 (2000). https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-159X(200001/02)8:1%3C151::AID-PIP302%3E3.0.CO;2-Q

D.P. Pham, S. Lee and J. Yi, “Potential high efficiency of GaAs solar cell with heterojunction carrier selective contact layers,” Physica B: Condensed Matter, 611, 412856 (2021). https://doi.org/10.1016/j.physb.2021.412856

M.A. Green, A.H. Baillie, and H.J Snaith, “The emergence of perovskite solar cells,” Nature Photonics, 8, 506-514 (2014). https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.134

S.C. Riha, B.A. Parkinson and A.L. Prieto, “Solution-based synthesis and characterization of Cu2ZnSnS4 nanocrystals,” Journal of the American Chemical Society, 131, 12054-12055 (2009). https://doi.org/10.1021/ja9044168

H. Katagiri, K. Jimbo, W.S. Maw, K. Oishi, M. Yamazaki, H. Araki and A. Takeuchi, “Development of CZTS-based thin film solar cells,” Thin Solid Films, 517, 2455-2460 (2009). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2008.11.002

K. Woo, Y. Kim and J. Moon, “A non-toxic, solution-processed, earth-abundant absorbing layer for thin-film solar cells,” Energy & Environmental Science, 5, 5340-5345 (2012). https://doi.org/10.1039/C1EE02314D

B. Prakash, A. Meena, Y. K. Saini, S. Mahich, A. Singh, S. Kumari, C.S.P. Tripathi and B.L. Choudhary, “Solution-processed CZTS thin films and its simulation study for solar cell applications with ZnTe as the buffer layer,” Environmental Science and Pollution Research, 30, 98671-98681 (2023). https://doi.org/10.1007/s11356-022-23664-8

J. Kim, H. Hiroi, T.K. Todorov, O. Gunawan, M. Kuwahara, T. Gokmen, D. Nair, M. Hopstaken, B. Shin, Y.S. Lee, W. Wang, H. Sugimoto and D.B. Mitzi, “High efficiency Cu2ZnSn (S, Se) 4 solar cells by applying a double In2S3/CdS emitter,” Advanced Materials, 26, 7427-7431 (2014). https://doi.org/10.1002/adma.201402373

Q. Guo, H.W. Hillhouse and R. Agrawal, “Synthesis of Cu2ZnSnS4 nanocrystal ink and its use for solar cells,” Journal of the American Chemical Society, 131, 11672-11673 (2009). https://doi.org/10.1021/ja904981r

M.C. Benachour, R. Bensaha and R. Moreno, “Annealing duration influence on dip-coated CZTS thin films properties obtained by sol-gel method,” Optik, 187, 1-8 (2019). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.05.015

C. Xiong, M. Gao, and W. Gao, “Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films prepared by sol–gel spin-coating technique,” International Journal of Modern Physics B, 34, 2040019 (2020). https://doi.org/10.1142/S0217979220400196

F. Luckert, D.I. Hamilton, M.V. Yakushev, N.S. Beattie, G. Zoppi, M. Moynihan, I. Forbes, et al., “Optical properties of high quality Cu2ZnSnSe4 thin films,” Applied Physics Letters, 99, 062104 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3624827

R.A. Wibowo, E.S. Lee, B. Munir and K.H. Kim, “Pulsed laser deposition of quaternary Cu2ZnSnSe4 thin films,” Physica status solidi (a), 204, 3373-3379 (2007). https://doi.org/10.1002/pssa.200723144

M.V. Jyothirmai, H. Saini, N. Park and R. Thapa, “Screening of suitable cationic dopants for solar absorber material CZTS/Se: A first principles study,” Scientific Reports, 9, 15983 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-52410-3

X. He, J. Pi, Y. Dai and X. Li. "Elastic and thermo-physical properties of stannite-type Cu2 ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 from first-principles calculations,” Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 26, 285-292 (2013). https://doi.org/10.1007/s40195-012-0248-4

Y. Nouri, B. Hartiti, A. Batan, H. Labrim, S. Fadili and P. Thévenin, “Cu2XSnS4 (X= Mn, Fe, Co) semiconductors: Boltzmann theory and DFT investigations,” Solid State Communications, 339, 114491 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2021.114491

H.M. Mohammedi, F. Chiker, H. Khachai, N. Benosman, R. Khenata, R. Ahmed, S.B. Omran, et al., “Structural, optoelectronic, optical coating and thermoelectric properties of the chalcogenides type Kesterite Ag2CdSnX4 (with X= S, Se): A computational insight,” Materials Science in Semiconductor Processing, 134, 106031 (2021). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2021.106031

M. Mesbahi, F. Serdouk and M. Benkhedir, “A DFT Study of the Electronic and Optical Properties of Kesterite Phase of Cu2ZnGeS4 Using GGA, TB-MBJ, and U Exchange Correlation Potentials,” Acta Physica Polonica A, 134, 358-361 (2018). https://doi.org/10.12693/APhysPolA.134.358

K. Schwarz and P. Blaha, “Solid state calculations using WIEN2k,” Computational Materials Science, 28, 259-273 (2003). https://doi.org/10.1016/S0927-0256(03)00112-5

F. Z. Nainaa, N. Bekkioui, A. Abbassi and H. Ez-Zahraouy, “First-principle study of structural, electronic, optical and electric properties of Ag2ZnGeX4 (S, Se),” Computational Condensed Matter, 19, e00364 (2019). https://doi.org/10.1016/j.cocom.2019.e00364

H.J. Monkhorst and J.D. Pack, “Special points for Brillouin-zone integrations,” Physical review B, 13, 5188 (1976). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188

Morteza Jamal and Ghods City-Tehran-Iran. "IR ELAST." (2019).

G.K.H. Madsen and D.J. Singh, “BoltzTraP. A code for calculating band-structure dependent quantities,” Computer Physics Communications, 175, 67-71 (2006). https://doi.org/10.1016/j.cpc.2006.03.007

F.D. Murnaghan, “On the theory of the tension of an elastic cylinder,” Proceedings of the National Academy of Sciences, 30, 382 384 (1944). https://doi.org/10.1073/pnas.30.12.382

J.P. Perdew, K. Burke and M. Ernzerhof, “Generalized gradient approximation made simple,” Physical Review Letters, 77, 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

K. Lau and A.K. McCurdy, “Elastic anisotropy factors for orthorhombic, tetragonal, and hexagonal crystals,” Physical Review B, 58, 8980 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.8980

T. Maeda, S. Nakamura, and T. Wada, “First principles calculations of defect formation in in-free photovoltaic semiconductors Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4,” Japanese Journal of Applied Physics, 50, 04DP07 (2011). https://doi.org/10.1143/JJAP.50.04DP07

N.M. Shinde, D.P. Dubal, D.S. Dhawale, C.D. Lokhande, J.H. Kim, and J.H. Moon, “Room temperature novel chemical synthesis of Cu2ZnSnS4 (CZTS) absorbing layer for photovoltaic application, Materials Research Bulletin, 47, 302-307 (2012). https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.11.020

M. Grossberg, J. Krustok, K. Timmo and M. Altosaar, “Radiative recombination in Cu2ZnSnSe4 monograins studied by photoluminescence spectroscopy,” Thin Solid Films, 517, 2489-2492 (2009). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2008.11.024

S. Sharma, A.S. Verma and V.K. Jindal, “Ab initio studies of structural, electronic, optical, elastic and thermal properties of silver gallium dichalcogenides (AgGaX2: X=S, Se, Te), Materials Research Bulletin, 53, 218-233 (2014). https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2014.02.021

M. Jamal, M. Bilal, I. Ahmad, and S.J. Asadabadi, “IRelast package,” Journal of Alloys and Compounds, 735, 569-579 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.10.139

S.K.R. Patil, S.V. Khare, Blair Richard Tuttle, J. K. Bording and S. Kodambaka, “Mechanical stability of possible structures of PtN investigated using first-principles calculations,” Physical Review B, 73, 104118 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.104118

Z.I. Wu, Er.J. Zhao, H.P. Xiang, X.F. Hao, X.J. Liu and J. Meng, “Crystal structures and elastic properties of superhard IrN2 and IrN3 from first principles,” Physical Review B, 76, 054115 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.054115

E. Haque and M.A. Hossain, “First-principles study of elastic, electronic, thermodynamic, and thermoelectric transport properties of TaCoSn,” Results in Physics, 10, 458-465 (2018). https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.06.053

J. Feng, “Mechanical properties of hybrid organic-inorganic CH3NH3BX3 (B= Sn, Pb; X= Br, I) perovskites for solar cell absorbers,” Apl Materials, 2, 081801 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4885256

W. Voigt, Lehrbuch der kristallphysik, Macmillan New York (Teubner, Leipzig, 1928), p. 962.

K. Moradi and A.A.S. Alvani, “First-principles study on Sr-doped hydroxyapatite as a biocompatible filler for photo-cured dental composites,” Journal of the Australian Ceramic Society, 56, 591-598 (2020). https://doi.org/10.1007/s41779-019-00369-9

O.L. Anderson, “A simplified method for calculating the Debye temperature from elastic constants,” Journal of Physics and Chemistry of Solids, 24, 909-917 (1963). https://doi.org/10.1016/0022-3697(63)90067-2

P. Wachter, M. Filzmoser, and J. Rebizant, “Electronic and elastic properties of the light actinide tellurides,” Physica B: Condensed Matter, 293, 199-223 (2001). https://doi.org/10.1016/S0921-4526(00)00575-5

S.F. Pugh, “XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals,” The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 45, 823-843 (1954). https://doi.org/10.1080/14786440808520496

A.O. Roza, D.A. Pérez and V. Luaña, “Gibbs2: A new version of the quasiharmonic model code. II. Models for solid-state thermodynamics, features and implementation,” Computer Physics Communications, 182, 2232-2248 (2011). https://doi.org/10.1016/j.cpc.2011.05.009

M.I. Ziane, D. Ouadjaout, M. Tablaoui, R. Nouri, W. Zermane, A. Djelloul, H. Bennacer, et al., “First-Principle Computed Structural and Thermodynamic Properties of Cu2ZnSn (Sx Se1−x)4 Pentanary Solid Solution,” Journal of Electronic Materials, 48, 6991-7002 (2019). https://doi.org/10.1007/s11664-019-07496-w

G.K.H. Madsen and D.J. Singh, “BoltzTraP. A code for calculating band-structure dependent quantities,” Computer Physics Communications, 175, 67-71 (2006). https://doi.org/10.1016/j.cpc.2006.03.007

M. Bercx, N. Sarmadian, R. Saniz, B. Partoens and D. Lamoen, “First-principles analysis of the spectroscopic limited maximum efficiency of photovoltaic absorber layers for CuAu-like chalcogenides and silicon,” Physical Chemistry Chemical Physics, 18, 20542-20549 (2016). https://doi.org/10.1039/C6CP03468C

L. Yu and A. Zunger, “Identification of potential photovoltaic absorbers based on first-principles spectroscopic screening of materials,” Physical Review Letters, 108, 068701 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.068701

M. Bercx, R. Saniz, B. Partoens and D. Lamoen, “Exceeding the Shockley–Queisser limit within the detailed balance framework,” in: Many-body Approaches at Different Scales, edited by G. Angilella and C. Amovilli, (Springer, Cham. 2018), pp. 177-184. https://doi.org/10.1007/978-3-319-72374-7_15

Опубліковано
2025-09-08
Цитовано
Як цитувати
Пракаш, Б., Сінгх, А., Джоші, Т. К., Чоудхарі, Б. Л., Пандіт, Н., & Верма, А. С. (2025). Дослідження на основі перопринципів напівпроводникових екологічно чистих матеріалів Cu2ZnSnX4 (X = S, Se) для наступного покоління фотоелектричних застосувань. Східно-європейський фізичний журнал, (3), 259-272. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-3-23
Номер
№ 3 (2025): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2025 Бхану Пракаш, Аджит Сінгх, Тарун Кумар Джоші, Банварі Лал Чоудхарі, Нейнсі Пандіт, Аджай Сінгх Верма

Ліцезія Creative Commons

Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

    • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).