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

320

---

deposition which utilizes the magnetic

field to deposit the films on the

substrate. Magnetron sputtering enables the electrons to crash with Ar

atom within a speci

fic electric field subject to ionizing the available

argon ions to make the electrons deposited to the substrate. In the year

2011, Japan Nagano National College of Technology had studied the

technique of sputtering Cu

–Sn–Zn metallic precursor and then vulca-

nizing it to manufacture the CZTS. The manufactured device has mea-

sured the CZTS based photovoltaic with an e

fficiency of 3.69%

[53]

. In

2007, Nagaoka University of Technology in Japan, after having suc-

cessfully manufacturing the CZTS based photovoltaic with an e

fficiency

of 5.43% through electron beam evaporation approach. Then they got

successfully produced the e

fficiency of 5.74% by using RF sputtering

technique

[54]

.

In the year 2010, Salome and Femandes et al.

[55]

fabricated CZTS

based thin

film photovoltaic with a power conversion efficiency of

0.68% by means of utilizing the sputtering Zn/Sn/Cu with the an-

nealing of S powder for 10 min at 525 °C beneath the N

2

carrier gas.

Katagiri has fabricated the CZTS based thin

film photovoltaic with the

best photoelectric power conversion e

fficiency of 6.8% by using va-

cuum sputtering technique. Muhunthan et al.

[56]

introduced a new

method by performing co-sputtering of the metal targets and sulfur-

ization in ambient H

2

S. Metal targets were used to assist in controlling

the composition of the

film. Compared with the traditional vacuum

deposition, sputter coating has many merits which incorporates, ma-

nipulation of the stoichiometry of elements, fabrication of

films with

better density, better use of raw materials, unfastened preference of the

deposition site, reduction in the contamination of vacuum chamber,

excessive uniformity degree of

film and suitability for the practice of

larger scale CZTS based thin

film photovoltaic. This technique is widely

used in mass production of coatings. Various simple approaches were

used for thin

film deposition apart from sputtering mechanisms, similar

approach of technique used in a simple and cost-e

ffective way is spray

pyrolysis.

3.2.5. Spray pyrolysis method

Spray pyrolysis is a simple and easy method which utilizes the

film

deposition technique at lower cost. This technique works on by heating

the surface of the substrate about 600 °C and then spraying one or more

metallic salt solutions onto the substrate surface. The higher tempera-

ture gradient will lead pyrolysis of the spray coating ensuring a thin

film deposition on substrate surface. The satisfactory and overall per-

formance of thin

film manufactured through spray pyrolysis propor-

tional to the substrate temperature. If the substrate temperature is the

too high, it will be di

fficult for the film to be adsorbing on the substrate.

when the substrate temperature is very low, the crystallization of

film

may be deteriorated. CZTS based thin

film made with the spray pyr-

olysis have better optical property through controlling the substrate

temperature inside the range of 500

–650 °C in pyrolysis

[17]

. Kamoun

made a reaction in CuCl

2

, ZnCl

2

, SnCl

2

and vulcanized them in SC

(NH

2

)

2

solution by using spray pyrolysis technique. The substances

reacted for 1 h at the substrate temperature of 340 °C and have been

annealed for 120 min at 550 °C. Eventually, the CZTS based thin

films

with a band gap of 1.5 eV were fabricated

[57]

. Spray pyrolysis is a

simple and smooth technique to perform with simple experimental

process without vacuum and gas protection devices. Hence, it's a

without problems low priced method with less fee concerned to ob-

tained thin-

film with better performance.

3.2.6. Pulsed laser deposition method

Pulsed laser deposition approach is a physical vacuum deposition

process that produce high energy pulsed laser focus at the target surface

to obtain high pressure and high temperature plasma. The plasma

emission expands in the directional nearby location and deposits the

substrate to obtain a thin

film. Moholkar et al.

[61]

measured the Cu

2

S,

ZnS, and SnS

2

powder by grinding technique, and the powder is made

to CZTS target via the solid-state reaction; they used an excimer laser

beam to bombard the target and CZTS based thin

film turned into de-

posited in a vacuum chamber, observed through annealing in N

2

+H

2

S

gas environment. The thin

film-based cells on this approach have open

circuit voltage of 585 mV, short-circuit current density of 6.74 mA/cm

2

and the

fill factor of 0.51, conversion performance of 2.02%, and band

gap of 1.52 eV. The study found that once the laser pulse frequency

become within the range of 2

–10 Hz, the grain length will growth of

pulse frequency. Due to the high energy density of the laser and the

e

ffect of better crystallization. Uniform, single, and dense crystal grains

were obtained from the prepared samples.

Compared with other techniques, this method is easy and it can

deposit the

film with ideal stoichiometric ratio via controlling the

composition of ceramic target and the oxygen pressure. It is more sui-

table for depositing the metal oxide thin

films and multi component

hetero epitaxial

films. Bombardment of high power laser beam makes

atoms or molecules to sputtered through the target with high energy

resulting in deposition of high quality thin

films at low temperature

[17]

. Synthesis of the thin

films involves sophisticated machines with

vacuum chambers making the overall process more cumbersome. This

can be avoided in the powder synthesis by wet chemical methods such

as sol gel process.

3.2.7. Sol-gel method

Sol-gel technique is very simple and cost-e

ffective method of syn-

thesizing the powder samples with needed stichometry. This method

makes the hydrolysable metal compound to react with water in certain

solvents to form as Sol by hydrolysis and polycondensation. Then the

Sol forms as liquid

film on substrate through dipping or spin-coating

technique. After gelatinization, the substrate may be transformed into

amorphous form

films through heat treatment. Many works have been

reported on the sol gel process in synthesizing composites and ceramics

for various applications. In 2007, Tanaka et al.

[57]

made the dimethyl

alcohol as solvent and the ethanolamine as stabilizer to make the sol

gelatin with cupric acetate, zinc acetate, and tin chloride and coated it

at the Molybdenum(Mo) based glass. To get better thickness, spin

coating was done for consecutive 5 times and burned at 300 °C for 5 min

in the air and annealed it at 500 °C for 1 h in an atmosphere of N

2

gas

containing 5% H

2

S. The above work has been reported with a CZTS

based thin

film with better element and the crystallinity.

In 2009, sol gel method was used and then spin-coat and drying

were carried out with the 0.35 M sol for 3 times. Then spin-coated and

dried the 1.76 M sol for 5 instances. In the stated work, CZTS based

film

with uniform surface area and the e

fficiency of 1.01% was fabricated

[59]

. In 2011, power conversion e

fficiency of 2.03% was achieved with

the aid of optimizing

film components

[60]

. Addition of MgF

2

antire-

flection layer has resulted in high energy conversion efficiency of

10.1%

[61]

. Compared with other techniques, sol gel approach has

many speci

fic advantages such as, simple process equipment without

vacuum conditions, Inexpensive system with large vicinity thin

films

and substrate with di

fferent shapes and materials. Synthesis of the CZTS

composite has its unique signi

ficances with reference to the type of

method adopted. Similarly, the substrate in which the multiple layers

deposition is also important to decide the functionality of the deposited

film. Different types of substrates are being used for CZTS deposition,

which is analyzed in detail on the following sections.

4. CZTS on di

fferent substrates

CZTS based photovoltaic devices were fabricated on di

fferent sub-

strates depending on the availability and research ideas. E

fficiency of

the fabricated device will depend on various factors, which includes the

substrates used. Adhesion of the deposited layers and its conductive

nature is very important for good device performance. Band alignment

if the devices have a signi

ficance in the performance due to its het-

erointerfaces. The band alignment of the layers and its substrates are

very important in de

fining the device characteristics. Charge trapping

M. Ravindiran, C. Praveenkumar