Climate change is advancing inexorably and is en route to cause uncontrollable global warming that will go along with self-amplifying feedback loops and disastrous cascading effects. At the same time is the global energy consumption further increasing, meaning decisive action to prevent the worst from happening needs to be taken that essentially include a rapid expansion of renewable energy sources. Sustainable and well-performing PV-based technologies like c-Si, CdTe and CIGSe are already existing but none of these are considered a meaningful candidate for substantial large-scale installations owing to virtually counterproductive energy payback times (c-Si), or severe toxicity and scarcity of their constituents (CdTe, CIGSe). With kesterite-type CZTSSe an alternative PV material class did emerge that can essentially be composed of abundantly available and non-toxic elements but several performance limiting factors need to be tackled prior to application maturity. Improvements are not exclusively aiming at reducing the gap towards the Shockley-Queisser limit [1] but also include a diversification of its application. The substitution of tin with germanium leads to a widening of the band gap and thus to new applications, yet little knowledge existed regarding structural trends in CZGSe and how they relate to its material’s properties. In order to shed more light on structural characteristics solid-state reaction was applied to synthesize off-stoichiometric CZGSe powder samples [2-4]. The composition and chemical homogeneity were examined by quantitative WDX spectroscopy, and UV-Vis spectroscopy was employed to estimate the band gap energy [5]. Rietveld analysis [6, 7] and the average neutron scattering length method [8, 9] were applied both to p-XRD and p-ND data for a comprehensive structural characterization. The majority of the samples exhibited a sufficient chemical homogeneity of the CZGSe phase allowing for a meaningful investigation, albeit oftentimes co-existing with secondary phases. Careful structure analysis revealed that CZGSe adopts the kesterite-type structure (s.g. I4 ̅) which is subject to a certain degree of Cu-Zn disorder among 2c and 2d Wyckoff positions. Electronically harmful point defects were found throughout the Cu-rich regime (e.g. Cu_Ge^(3-)) as well as for a grand portion of the Cu-poor region (e.g. Zn_i^(2+)), thus highlighting the huge relevance in achieving A – B-type composition when aiming at reasonable PV devices.
Der Klimawandel schreitet unerbittlich voran und ist im Begriff eine unkontrollierbare globale Erwärmung herbeizuführen, was zusätzlich mit sich selbstverstärkenden Rückkopplungsprozessen und verheerenden kaskadierenden Effekten einhergehen wird. Da der globale Energieverbrauch gleichzeitig immer weiter zunimmt, ist entschlossenes Handeln hinsichtlich eines zügigen Ausbaus erneuerbarer Energiequellen nötig um das Eintreten des schlimmsten Falls zu verhindern. Nachhaltige und leistungsstarke PV-Technologien wie c-Si, CdTe und CIGSe sind zwar bereits verfügbar, aber aufgrund kontraproduktiver Energieamortiserungszeiten (c-Si) bzw. giftiger und seltener Bestandteile (CdTe, CIGSe) kommt keine von denen für einen großskaligen Einsatz in Frage. Mit CZTSSe vom Kesterit-Strukturtyp hat sich ein alternatives Material für PV-Anwendung hervorgetan, das prinzipiell aus ungiftigen und ausreichend vorhandenen Elementen zusammengesetzt werden kann, jedoch müssen vor der Anwendungsreife einige leistungsbeschränkende Faktoren angegangen werden. Dabei zielen die Verbesserungen nicht nur auf eine Verringerrung der Lücke zum Shockley-Queisser-Limit [1], sondern beinhalten außerdem eine Diversifizierung der Anwendungen. Das Ersetzen von Zinn durch Germanium führt zu einer Aufweitung der Bandlücke und somit zu neuen Anwendungen, wobei aber bisher nur wenig bekannt ist bezüglich strukureller Trends in CZGSe und wie diese zu dessen Materialeigenschaften in Beziehung stehen. Um die strukturellen Eigenschaften stärker zu beleuchten wurden nicht-stöchiometrische Pulverproben [2-4] von CZGSe mittels Festkörpersynthese hergestellt. Die Zusammensetzung und chemische Homogenität wurde anhand von WDX-Spektroskopie untersucht, und UV-Vis-Spektroskopie wurde eingesetzt um die Bandlückenenergie zu bestimmen [5]. Rietveld-Analyse sowie die Methode der mittleren Neutronenstreulänge wurden für eine eingehende strukurelle Charakterisierung verwendet. In dem Großteil der Proben war die CZGSe-Phase ausreichend chemisch homogen und erlaubte somit eine zielführende Untersuchung, obschon sie häufig mit Nebenphasen koexistiert. Eine sorgfältige Strukturanalyse hat bestätigt, dass CZGSe die Struktur vom Kesterit-Typ annimmt (Raumgruppe I4 ̅), jedoch mit einer gewissen Cu-Zn-Unordnung auf den 2c- und 2d-Wyckoffpositionen. Für die elektronischen Eigenschaften nachteilige Punktdefekte wurden durchgehend im Cu-reichen Bereich (z.B. Cu_Ge^(3-)) sowie für einen großen Teil des Cu-armen Bereichs (z.B. Zn_i^(2+)) gefunden, was hinsichtlich PV-Anwendungen die große Bedeutung für das Erreichen einer Zusammensetzung entsprechend dem A – B-Typ unterstreicht.
