Nanocristaux, films et cellules photovoltaïques de Cu2ZnSn(SSe)4 par impression d'encres

Cu2ZnSnSSe4 (CZTSSe) est un matériau prometteur comme absorbant de cellules photovoltaïques. Le développement à grande échelle de cellules solaires CZTSSe est conditionné au développement de procédés bas coût et soucieux de l'environnement. Dans ce contexte, le développement de films de CZTSSe à partir d'encres tout aqueuses de nanoparticules de CZTS constitue un challenge intéressant. Une stratégie haute température en présence d'un agent texturant gaz a été définie pour synthétiser des nanocristaux de CZTS présentant des surfaces polaires. Notre procédé agent texturant gaz met en œuvre la formation simultanée de nucléis de CZTS et de bulles de gaz. Nous montrons que la production en conditions de forte sursaturation d'une très forte concentration de nucléis de CZTS en association à un très grand nombre de petites bulles de gaz représente les conditions optimales de formation de nanocristaux. Par une étude électrocinétique, une condensation régulée par la taille de l'ion alcalin est observée dans la série des alcalins Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+, démontrant la stabilité chimique des surfaces de Cu2ZnSnS4 en dispersion toute aqueuse. Par mise en œuvre des dispersions tout aqueuses, nous avons réalisé l'acquisition de données de base permettant de produire une preuve de concept de la formation d'un film sans fissures. Un autre point important à considérer lors de l'utilisation de matières premières bas coût est l'élimination des impuretés inhibitrices de la croissance des grains. Un profil spécifique de recuit des films est proposé mettant en œuvre une purification haute température pour l'élimination du carbone. En effet, notre stratégie met en œuvre la décomposition des domaines amorphes en carbone sp2 qui est ultérieurement éliminé via la formation de CSe2 gazeux. Finalement, des cellules solaires ont été fabriquées avec succès à partir d'encres tout aqueuses avec des rendements de conversion préliminaires jusqu'à 2,6 %.Recently more attention is devoted to Cu2ZnSnS4 (CZTSSe) for photovoltaic applications due to their non-toxic, earth-abundant components and good optoelectronic properties. Large scale fabrication of CZTSSe solar cells will rely on the development of low-cost and environmentally-friendly approach. In this context, development of CZTSSe films from all-aqueous CZTS nanocrystals inks represents an interesting challenge. A high temperature, gas-templating strategy has been defined to synthesize highly crystallized CZTS nanocrystals displaying polar surfaces. Our gas-templating process involves the simultaneous formation of CZTS nucleis and gas bubbles. We demonstrate that production of a high rate of small gas bubbles, as well as a high concentration of nucleis, depict optimal conditions for nanocrystal synthesis. By an electrokinetic investigation, a condensation regulation by the alkali ion size is observed in the alkali series Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+, demonstrating the chemical stability of CZTS surfaces in aqueous basic dispersions. By using all-aqueous chalcogenide nanocrystals dispersions, we determined a critical cracking thickness of 250 nm and an average thickness of 100 nm to fabricate micron crack-free films using a multilayer procedure. Having in mind these results, we give the proof of concept of crack-free film formation from all aqueous CZTS nanocrystals inks. Another important consideration, when employing low-cost materials, is the removal of impurities, inhibitors of grain growth. A specific annealing profile is proposed involving a high temperature purification step in order to remove carbon. Indeed, our strategy involves the decomposition of amorphous domains into sp2 carbon which will be further removed via the CSe2gas formation. Finally, CZTSSe solar cells are successfully fabricated from all-aqueous CZTS inks with preliminary devices efficiencies up of 2.6%

A gas-templating strategy to synthesize CZTS nanocrystals for environment-friendly solar inks

A high-temperature gas-templating strategy is proposed to synthesize Cu2ZnSnS4 (CZTS) nanocrystals for all-aqueous solar inks. Our gas templating process route involves the in-situ generation and stabilization of nanosized gas bubbles into a molten KSCN-based reaction mixture at 400 °C. Chemical insights of the templating gas process are provided such as the simultaneous formation of gas bubbles and CZTS nuclei highlighting the crucial role of the nucleation stage on the sponge and resulting nanocrystals properties. The high porosity displayed by the resulting CZTS nanocrystals facilitates their further post-fragmentation, yielding individualized nanocrystals. The advantages of our high temperature gas templating route are illustrated by the following: (i) the low defect concentration displayed by the highly crystalline nanocrystals, (ii) the synthesis of CZTS nanocrystals displaying S2− polar surfaces after ligand exchange. The good photoluminescence properties recorded on the pure CZTS nanocrystals reveal potential for exploration of new complex chalcogenide nanocrystals useful for various applications including photovoltaics and water splitting. Here we demonstrate that using these building blocks, a CZTS solar cell can be successfully fabricated from an environment-friendly all-aqueous ink

CZTSSe nanocrystals, liquid processed films and solar cells

Cu2ZnSnSSe4 (CZTSSe) est un matériau prometteur comme absorbant de cellules photovoltaïques. Le développement à grande échelle de cellules solaires CZTSSe est conditionné au développement de procédés bas coût et soucieux de l'environnement. Dans ce contexte, le développement de films de CZTSSe à partir d'encres tout aqueuses de nanoparticules de CZTS constitue un challenge intéressant. Une stratégie haute température en présence d'un agent texturant gaz a été définie pour synthétiser des nanocristaux de CZTS présentant des surfaces polaires. Notre procédé agent texturant gaz met en œuvre la formation simultanée de nucléis de CZTS et de bulles de gaz. Nous montrons que la production en conditions de forte sursaturation d'une très forte concentration de nucléis de CZTS en association à un très grand nombre de petites bulles de gaz représente les conditions optimales de formation de nanocristaux. Par une étude électrocinétique, une condensation régulée par la taille de l'ion alcalin est observée dans la série des alcalins Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+, démontrant la stabilité chimique des surfaces de Cu2ZnSnS4 en dispersion toute aqueuse. Par mise en œuvre des dispersions tout aqueuses, nous avons réalisé l'acquisition de données de base permettant de produire une preuve de concept de la formation d'un film sans fissures. Un autre point important à considérer lors de l'utilisation de matières premières bas coût est l'élimination des impuretés inhibitrices de la croissance des grains. Un profil spécifique de recuit des films est proposé mettant en œuvre une purification haute température pour l'élimination du carbone. En effet, notre stratégie met en œuvre la décomposition des domaines amorphes en carbone sp2 qui est ultérieurement éliminé via la formation de CSe2 gazeux. Finalement, des cellules solaires ont été fabriquées avec succès à partir d'encres tout aqueuses avec des rendements de conversion préliminaires jusqu'à 2,6 %.Recently more attention is devoted to Cu2ZnSnS4 (CZTSSe) for photovoltaic applications due to their non-toxic, earth-abundant components and good optoelectronic properties. Large scale fabrication of CZTSSe solar cells will rely on the development of low-cost and environmentally-friendly approach. In this context, development of CZTSSe films from all-aqueous CZTS nanocrystals inks represents an interesting challenge. A high temperature, gas-templating strategy has been defined to synthesize highly crystallized CZTS nanocrystals displaying polar surfaces. Our gas-templating process involves the simultaneous formation of CZTS nucleis and gas bubbles. We demonstrate that production of a high rate of small gas bubbles, as well as a high concentration of nucleis, depict optimal conditions for nanocrystal synthesis. By an electrokinetic investigation, a condensation regulation by the alkali ion size is observed in the alkali series Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+, demonstrating the chemical stability of CZTS surfaces in aqueous basic dispersions. By using all-aqueous chalcogenide nanocrystals dispersions, we determined a critical cracking thickness of 250 nm and an average thickness of 100 nm to fabricate micron crack-free films using a multilayer procedure. Having in mind these results, we give the proof of concept of crack-free film formation from all aqueous CZTS nanocrystals inks. Another important consideration, when employing low-cost materials, is the removal of impurities, inhibitors of grain growth. A specific annealing profile is proposed involving a high temperature purification step in order to remove carbon. Indeed, our strategy involves the decomposition of amorphous domains into sp2 carbon which will be further removed via the CSe2gas formation. Finally, CZTSSe solar cells are successfully fabricated from all-aqueous CZTS inks with preliminary devices efficiencies up of 2.6%

Nanocristaux, films et cellules photovoltaïques de Cu2ZnSn(SSe)4 par impression d'encres

Recently more attention is devoted to Cu2ZnSnS4 (CZTSSe) for photovoltaic applications due to their non-toxic, earth-abundant components and good optoelectronic properties. Large scale fabrication of CZTSSe solar cells will rely on the development of low-cost and environmentally-friendly approach. In this context, development of CZTSSe films from all-aqueous CZTS nanocrystals inks represents an interesting challenge. A high temperature, gas-templating strategy has been defined to synthesize highly crystallized CZTS nanocrystals displaying polar surfaces. Our gas-templating process involves the simultaneous formation of CZTS nucleis and gas bubbles. We demonstrate that production of a high rate of small gas bubbles, as well as a high concentration of nucleis, depict optimal conditions for nanocrystal synthesis. By an electrokinetic investigation, a condensation regulation by the alkali ion size is observed in the alkali series Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+, demonstrating the chemical stability of CZTS surfaces in aqueous basic dispersions. By using all-aqueous chalcogenide nanocrystals dispersions, we determined a critical cracking thickness of 250 nm and an average thickness of 100 nm to fabricate micron crack-free films using a multilayer procedure. Having in mind these results, we give the proof of concept of crack-free film formation from all aqueous CZTS nanocrystals inks. Another important consideration, when employing low-cost materials, is the removal of impurities, inhibitors of grain growth. A specific annealing profile is proposed involving a high temperature purification step in order to remove carbon. Indeed, our strategy involves the decomposition of amorphous domains into sp2 carbon which will be further removed via the CSe2gas formation. Finally, CZTSSe solar cells are successfully fabricated from all-aqueous CZTS inks with preliminary devices efficiencies up of 2.6%.Cu2ZnSnSSe4 (CZTSSe) est un matériau prometteur comme absorbant de cellules photovoltaïques. Le développement à grande échelle de cellules solaires CZTSSe est conditionné au développement de procédés bas coût et soucieux de l'environnement. Dans ce contexte, le développement de films de CZTSSe à partir d'encres tout aqueuses de nanoparticules de CZTS constitue un challenge intéressant. Une stratégie haute température en présence d'un agent texturant gaz a été définie pour synthétiser des nanocristaux de CZTS présentant des surfaces polaires. Notre procédé agent texturant gaz met en œuvre la formation simultanée de nucléis de CZTS et de bulles de gaz. Nous montrons que la production en conditions de forte sursaturation d'une très forte concentration de nucléis de CZTS en association à un très grand nombre de petites bulles de gaz représente les conditions optimales de formation de nanocristaux. Par une étude électrocinétique, une condensation régulée par la taille de l'ion alcalin est observée dans la série des alcalins Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+, démontrant la stabilité chimique des surfaces de Cu2ZnSnS4 en dispersion toute aqueuse. Par mise en œuvre des dispersions tout aqueuses, nous avons réalisé l'acquisition de données de base permettant de produire une preuve de concept de la formation d'un film sans fissures. Un autre point important à considérer lors de l'utilisation de matières premières bas coût est l'élimination des impuretés inhibitrices de la croissance des grains. Un profil spécifique de recuit des films est proposé mettant en œuvre une purification haute température pour l'élimination du carbone. En effet, notre stratégie met en œuvre la décomposition des domaines amorphes en carbone sp2 qui est ultérieurement éliminé via la formation de CSe2 gazeux. Finalement, des cellules solaires ont été fabriquées avec succès à partir d'encres tout aqueuses avec des rendements de conversion préliminaires jusqu'à 2,6 %

Chemical insights into the formation of Cu 2 ZnSnS 4 films from all-aqueous dispersions for low-cost solar cells

International audienceCu2ZnSnS4 (CZTS) shows great potential for photovoltaic application because of its non-toxic earth-abundant components and good optoelectronic properties. Combining low-cost and environmentally friendly routes would be the most favorable approach for the development of CZTS solar cells. In this context, development of Cu2ZnSnS4 (CZTS) films from all-aqueous CZTS nanocrystals inks represents an interesting challenge. Here, we have highlighted a condensation regulation by the alkali ion size observed in the alkali series Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+, and demonstrated the chemical stability of Cu2ZnSnS4 surfaces in basic aqueous dispersions. Data such as optimal nanocrystal size, critical cracking thickness and average thickness to fabricate micron crack-free films from all-aqueous chalcogenide nanocrystals dispersions were determined. From these results, a proof of concept for the formation of a crack-free film of 2.2 μm formed from an all-aqueous CZTS nanocrystals ink is given. When employing low-cost materials, removal of carbon impurities represents another important challenge. With the objective to fabricate residue-free films, a specific annealing strategy is proposed involving a high temperature purification step under Se partial pressure. Carbon removal is thus achieved via the CSe2 gas formation, simultaneously to the amorphous domains crystallization as demonstrated by Raman spectroscopy. These source data favoring the formation of residue-free, crack-free, annealed films should assist the large scale development of CZTS solar cells from low-cost and environmentally friendly, all –aqueous inks

Water-soluble, heterometallic chalcogenide oligomers as building blocks for functional films

International audienceMonometallic chalcogenide aqueous complexes such as (Sn2S6)4− and (Sn4S10)4− are widely used as functional ligands with applications in nano-electronics and solar cells. We propose a general process route to the formation of all-inorganic, heterometallic chalcogenide oligomers, thus expanding the range of these functional aqueous ligands. From electrospray ionization mass spectrometry, tetramers were shown to be the most predominant oligomers synthesized in Sn(IV)–Zn(II)–S(II), Sn(IV)–Zn(II)–Se(II) and Sn(IV)–Ga(III)–S(II) systems. While tetramers possessing exclusively one Zn cation were identified in the Sn(IV)–Zn(II)–S(II) system, the full range of solid solutions was achieved for (Sna–Gab–Sc)t− oligomers with 1 ≤ a ≤ 4. Using in situ characterization by 119Sn liquid NMR and Raman spectroscopy, supported by DFT calculations, we demonstrate that the various tetramers adopt a compact adamantane-like structure. The charge of the heterometallic oligomers was shown to be controlled by the doping cation valence and the chalcogenide anion deficiency in the tetramers. These water-soluble heterometallic chalcogenide oligomers can serve as ligands, residue-free dispersants or building blocks for functional film fabrication. Using these oligomers, we report here the fabrication of chalcogenide solar cells employing environmentally friendly, all-aqueous, (Sna–Znb–Sc)t−-capped CZTS nanocrystal inks