Status review and the future prospects of czts based solar cell – a novel approach on the device structure and material modeling for czts based photovoltaic device

---

Contents lists available at

ScienceDirect

Renewable and Sustainable Energy Reviews

journal homepage:

www.elsevier.com/locate/rser

Status review and the future prospects of CZTS based solar cell

– A novel

approach on the device structure and material modeling for CZTS based

photovoltaic device

M. Ravindiran

a

,

⁎

, C. Praveenkumar

b

a

Electronics & Communication Engineering Department, Vinayaka Mission's Research Foundation, Aarupadai Veedu Institute of Technology, Chennai 603104, India

b

School of Engineering, Saveetha University, Chennai 602105, India

A R T I C L E I N F O

Keywords:

CZTS

Heterojunction

Perovskite

CVD and Sputtering

A B S T R A C T

Cu

2

ZnSnS

4

(CZTS) based devices has become increasingly popular due to the better e

fficiency with different

architectures for various types of solar cells. The present work reviews and analyzes the di

fferent CZTS based

solar cells and its synthesis methods. The possible future prospects in the performance improvement of the CZTS

based solar cell is analyzed in the present work with the approach based on the novel device architecture and

material property. The novel device architecture using CZTS has electron blocking and hole blocking band o

ffset,

which can signi

ficantly improve the efficiency of the solar cell. Similarly, the first principle calculation on

various composites of the CZTS based compound has revealed some interesting property, which has shown a new

route for the CZTS based composite.

1. Introduction

1.1. About CZTS

CZTS is a kind of semiconducting compound which looks like a

greenish black crystal. It is a new version of thin

film based on next

generation photovoltaic due to fact that it is good solar absorbing

compound with better absorption coe

fficient. CZTS composite has ea-

sily available elements which signi

ficantly enables in easy fabrication of

the composite. Non-poisonous, environment pleasant, low price and

better performance are the merits of the CZTS based thin

film photo-

voltaic when compared to other photovoltaic devices. CZTS has very

good optical and electronic property which is more suitable for pho-

tovoltaic application.

Fig. 1

represents the crystal structure of the CZTS

composite

[1]

.

Fig. 1

shows the presence of the elements at various

coordinates of the crystal lattice, where the Cu is present in the all

corners and center with Zn on the top and bottom of the crystal lattice

and Sn is placed at the top, bottom and other two sides. S atoms is

placed at the center near the Cu atoms. Presence of the atoms in the

lattice crystal resembles the ratio of each element.

Elements such as Cu, Zn, Sn, and sulfur on the earth crust is 68 ppm,

79 ppm, 2.2 ppm, and 420 ppm respectively, that's much higher when

compared to In, Cd, Te of 0.16 ppm, 0.15 ppm, and 0.001 ppm respec-

tively. Hence CZTS based composite is consider to be more e

fficient

when compared to the other materials

[2]

. From crystallographic rule,

CZTS quaternary semiconducting compound has two di

fferent kind of

structure, such as kesterite structure and stannite structure. These two

shapes are identical but di

ffer from its copper, zinc arrangement from

the structure in atomic level

[3]

. Both CZTS and CIGS are very e

fficient

for making thin

film based photovoltaic application. But compared to

CZTS, CIGS compounds are having some demerits like this compounds

availability will be rare and also high cost. Especially the In and Ga

materials costs more expensive and less available. CZTS compound also

have very good optical properties with better absorption coe

fficient.

Above discussed factors with the abundance availability makes CZTS

better when compared to CIGS

[4]

.

The molar mass range of the CZTS compound is 439.471 g/mol. The

density of the CZTS compound is 4.59 g/cm

3

[5]

. Melting point temperature

range of the CZTS compound is 1260 k, which makes the composite more

suitable for very high temperature synthesis

[6]

. Band gap energy range of

the CZTS compound is around 1.5 eV which is ideal for thin

film based

photovoltaic applications. There are many approaches used for deposition

of thin

film like sulfurization, laser ablation, sputtering and evaporation

etc

… The CZTS based thin film also act as an absorber layer of photovoltaic

device due to its better absorbent property when compared to other thin

films

[7,8]

. In the year 1996, the CZTS based thin

film efficiency was cal-

culated as 0.66%. Later the e

fficiency of the CZTS was improved to 5.74%

through multisource evaporation technique in the year 2007.

https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.06.008

Received 7 December 2017; Received in revised form 5 March 2018; Accepted 4 June 2018

⁎

Corresponding author.

E-mail address:

[e-mail]

(M. Ravindiran).

Renewable and Sustainable Energy Reviews 94 (2018) 317–329

Available online 14 June 2018

1364-0321/ © 2018 Elsevier Ltd. All rights reserved.

---

In the year 2008, CZTS e

fficiency was further enhanced to 6.7%

through sulfurization method

[9]

. In the year 2010, the CZTS based thin

film photovoltaic power conversion efficiency was over 9.6% with the

fabrication of the device based on ink-based technique

[10]

. In the year

2012, a team of researchers from IBM was able to reach the power

conversion e

fficiency around 11% using simple ink-based fabrication

method which was considered to be the best conversation e

fficiency for

that time. This conversation rate has justi

fied that CZTS based thin film

photovoltaic is better solar absorbent when compared to other com-

pounds based thin

film photovoltaic

[11]

. Most commonly used CZTS

based solar cell is shown in

Fig. 2

. CZTS was deposited over the Mo soda

lime glass with Cd window layer having ZnO and AZnO layer on the top

improving the overall e

fficiency of the device.

2. CZTS for photovoltaics

CZTS has very good optoelectronic property, which makes it more

appropriate for photovoltaic application. Di

fferent photovoltaic device

structures were utilized in CZTS based photovoltaic devices. CZTS

based photovoltaic have some precise characteristics more suitable for

di

fferent kind of photovoltaic devices. In recent years there has been a

lot of research on CZTS based thin

film photovoltaic. CZTS composites

are more economical and easily available in the market

[12]

. The CZTS

has the band gap of 1.4

–1.5 eV. CZTS also has a very high absorption

coe

fficient which will very well suit with multiple layer-based structure

when employed as the absorption layer of thin

film based photovoltaic.

CZTS band gap is very close to the better band gap required by the

semiconducting photovoltaic of 1.50 eV. Compared to already present

commercialized photovoltaic devices such as CdTe and CIGS, CZTS

outsmarts because of its easy availability of the elements in the earth

crust. It also holds some other interesting properties such as non-poi-

sonous and eco-friendly. Due to these characteristics, CZTS based thin

film photovoltaic are one of the better candidate materials for solar

absorbing layer. IT is anticipated to turn out to the ideal absorption

layer material of future based thin

film photovoltaic.

[13

–15]

The production cost of CZTS based thin

film photovoltaic tech-

nology is very low when compared with other types of photovoltaic

devices such as CdTe and CIGS respectively. Hence CZTS based pho-

tovoltaic devices are very crucial to be applied in a larger scale. Its high

performance, availability, low price, easy to fabricate and proper sta-

bility properties are anticipated to be the next generation thin

film

based photovoltaic

[16]

. The CZTS is in the form of kesterite structure

with promising absorber layer candidature for solar cells which can be

more suitable for low price thin

film based photovoltaic. Due to the

appropriate direct band gap of around 1.5 eV it also have an larger

absorption coe

fficient

[17]

.

The CZTS based thin

film photovoltaic device has two different

layers, the primary layer is made of organic compound and secondary

layer is made of inorganic compounds. This kind of the structure has

maximum theoretical e

fficiency of around 42%. The CZTS based thin

film absorber fabricated through different physical and chemical based

Fig. 1. CZTS Crystal structure.

Fig. 2. - Schematic representation and characteristics of CZTS thin

film based solar cell device a) device structure b) conductivity c) SEM images and d) absorbance.

source - http://www.mibsolar.mater.unimib.it/?page_id= 1434)

M. Ravindiran, C. Praveenkumar