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

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

318

---

approaches, includes RF magnetron sputtering, hybrid sputtering,

thermal evaporation, pulsar laser deposition, spray pyrolysis approach,

sol-gel spin coating approach. The concern of these approaches is to

reduce the cost of the photovoltaic and to enhance the e

fficiency of the

solar cell

[18,19]

.

3. Literature review

CZTS has been the choice of material in fabrication of photovoltaic

devices due to its very good electronic and optoelectronic properties.

CZTS devices had been synthesized and fabricated using di

fferent

methods. In order to understand the materials property and the device

physics, theoretical investigations have been performed using

first

principle calculations.

3.1. First principle calculation for CZTS

Many works have been reported on CIGS based thin

film solar cell.

Since the e

fficiency of the kesterite based devices turned into very low,

di

fferent approaches have been adopted to enhance the overall per-

formance of the kesterite based photovoltaic by di

fferent compositions

of the crystal lattice to be used as a absorber layer. Hence CZTS based

kesterite structure were looked into an alternative for CIGS devices

[20]

. CZTS compound is typically a p-type semiconductor with a band

gap of 1.4

–1.5 eV, which is nearer to be optimum band gap of a pho-

tovoltaic device. It additionally has very high absorption coe

fficient

( > 10

4

cm

−1

) in the visible region. Hence CZTS based semiconducting

compound were used as an absorber layer in heterojunction based

photovoltaic

[21]

. Cd doping were carried out into CZTS to improve the

e

fficiency of the device. To make the investigation even before the

synthesis,

first principle calculations were performed with the Cd

doping into Cu

2

ZnSnS

4

and Cu

2

ZnSnSe

4

. Doping of the Cd into CZTS

exhibits a n type conduction with the electronic charge structure

showing a neutral charge behavior

[22]

. CdS is a n-type semiconductor

compound with a band gap of 2.4 eV. CdS is used as a window layer in a

solar cell with CZTS layer as an absorber layer

[23]

. Working on the

energy band di

fference between the bands makes a significant progress

in the device applications. Similar work is carried out with the

Cu

2

CdxZn

1

_xSnS

4

alloy with varying doping concentration of Cd. The

films were studied on various properties such as band gap and hall

e

ffect. Band gap of the films varied from 1.55 to 1.09 eV as the doping

concentration of the Cd is varied with 0

–1%. Hall effect results suggests

the decrease in the hole mobility with the increasing Cd concentrations.

Band alignment of the Cu2ZnSnS4/Cu2CdSnS4 interface has type I

alignment with decreasing band gap over increased Cd doping. Hence

the structure can be used for multijunction tandem solar cell with im-

proved e

fficiency

[24]

.

Band gap engineering is the most signi

ficant area of research on the

nanostructures and nanodevices, enabling the proper operation of the

device. Many works have been reported in the analysis of the band

structure of solar cells to identify the alignment and defects. Crystalline

defects in Cu on the interfaces of bu

ffer and absorber layers plays a

critical role in the performance of the kesterite solar cells. Cu defects in

the CZTS solar cells is analyzed to for the p type conductivity and Ag

doping and its defects shows the n type weak conductivity. From the

theoretical investigation, it is understood that the Cu and Ag alloying

into CZTS will have a better light absorbance resulting in better e

ffi-

ciency with kesterite solar cells. The band alignment of the device is

grouped into two types such type I band alignment and type II band

alignment. Type I band alignment could be set when the conduction

band minimum of absorber layer is less than the window layer.

Similarly, it is going be a type II alignment when the conduction band

minimum of the absorber layer more than the window layer

[25]

.

Electrical transport properties of hetero junction based photovoltaic

highly depends upon the band o

ffsets of the hetero interface. Charge

trapping in between the bands and interstatial sites of the device is a

major concern in device fabrication. Similarly, the sub band photons

can also be utilized e

ffectively with the absorption of the particular

wavelength photons. Study on the escape of carriers in InAs/GaAs

quantum dot is carried out in order to analyze the e

ffective use the

photon energies. Photocurrent measurements under sub bandgap illu-

mination were carried out in the study. The study was carried out to

identify the trapping mechanisms in the intermediate bands and to

improve the device performance

[26]

.

The haight et al.

[27]

has measured the valence band o

ffset for Δ Ev

of 0.54 eV on the premise of the usage of ultraviolet photoelectron

spectroscopy (UPS). The band o

ffsets for CZTS/Cds heterojunction

photovoltaic was measured through

first-principles calculation (FPC)

approach. And then Chen et al.

[28]

has measured the valence band

o

ffset for Δ Ev of 1.01 eV on the premise of the first principles calcu-

lation(FPC) approach. Similar to the above approach, the band align-

ment calculation of the

ΔEv of 1.01 eV is the conduction band minimum

(CBM) of absorber layer CZTS which is greater than the window layer

(CdS). Consequently, the band alignment was type II with

ΔEv of

0.54 eV and the conduction band minimum (CBM) of absorber layer

CZTS is lesser than the window layer (CdS) resulting in the band

alignment as type I

[29]

. The

first principle calculation methods employ

the basic idea in deciding the materials composition and the device

structure physics involved theoretically. Most of the experimental

works fail due to improper analysis of the proposed experiments and its

reliability when the device is fabricated. Hence its always preferred to

do the theoretical calculation on the proposed device before fabricating

the device. The understanding of the proposed device and the elemental

composition experimental analysis, fabrication of the device is done by

many methods. The following chapter discusses about the various

synthesis methods involved in fabricating CZTS based devices.

Table 1

CZTS Evolution - synthesis methods and its recorded e

fficiency.

Method

Precursor

E

fficiency (%)

Year

Reference

Sputtering

Cu, SnS, ZnS

6.77

2008

[31]

Electrochemical deposition

Cu, Zn, Sn

3.14

2009

[41]

NP-based method

Copper(II) acetylacetonate, zinc acetate, tin(II) chloride dehydrate, elemental sulfur

0.23

2009

[35]

Screen-printing

CZTS microparticle

0.49

2010

[36]

CBD-ion exchange

tin chloride dehydrate, zinc acetate dehydrate, aqueous Cu

2+

0.16

2011

[37]

Electron Beam deposition

Cu, Zn and Sn

5.43

2011

[52]

Sol gel-based method

Copper (II) acetate monohydrate zinc (II) acetate dehydrate tin (II) chloride dehydrate

2.23

2011

[32]

Pulsed laser deposition

in-house fabricated CZTS pellet

3.14

2011

[33]

Spray pyrolysis

not available

1.15

2011

[34]

Ink based fabrication

Not available

11

2012

[11]

Vacuum Sputtering

Cu2, Zn, Sn, S4

6.8

2013

[56]

Rapid Thermal Annealing

Cu

2,

Zn, Sn, S

4

2.56

2014

[82]

Sputtering

Cu2, Zn, Sn, S4

3.74

2018

[53]

M. Ravindiran, C. Praveenkumar