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

321

---

and the interstate bands should be analyzed well before fabricating the

device. Large recombination at the interface of the device will not allow

the solar cell to perform the expected operations. Band o

ff set study on

CdS/Cu

2

ZnSnS

4

was carried out with the synchrotron radiation pho-

toemission spectroscopy. The study on the interface has revealed that

the band alignment is type II, which will have large recombination at

the interface resulting in non-suitable nature for solar cell application

[62]

. Better band alignment of the device will have improved perfor-

mance. Heterojunction made of p-Cu

2

CdSnS

4

/n-ZnS has better photo-

sensitivity at the UV wave lengths which makes the device more sui-

table for photodetector application. X-ray photoelectron spectroscopy

measurements have revealed that the device is type I band aligned and

more suitable for UV photodetector applications

[63]

.

Investigation on the experimental and theoretical analysis were

carried out for Ag2ZnSnSe4 (AZTSe)/CdS heterojunction. Results reveal

that the CdS had higher conduction band minimum than the AZTS in-

terface which results in an ideal band alignment for photovoltaic ap-

plication

[64]

. Band o

ffset analysis using x-ray photoelectron spectro-

scopy is carried out for the heterojunction CZTS/CdS/ZnO using

first

principle calculations method. The bands forms as type II with the band

gap of 0.13 eV and 1 eV which makes less barrier to electrons allowing

the recombination better

[65]

. Conduction band o

ffset study on the

CZTS and CdS is calculated with the 0.2 eV allowing the CdS to be used

as bu

ffer layer in solar cells

[66]

. Device properties of the solar cell is

analyzed with the identi

fication of the defects involved in the layers

and the type of bands

[67]

. To identify the device property with the

band alignment of the layers and substrates of the solar cells its per-

formance on various substrates has been studied in the following sec-

tions.

4.1. Fabrication of CZTS solar cell on Molybdenum(Mo) foil

Molybdenum (Mo) is the tremendous preference for the use of back

contact electrode of CIGS based photovoltaic. Because of its relative

stability is better at processing temperature after which its low contact

resistance to CIGS based photovoltaic. Molybdenum (Mo) is a silver like

appearance and it has the 6th highest melting point of all elements. The

resistivity value of Molybdenum (Mo) is nearly 5 × 10

−5

Ωcm

[68

–70]

.

The Molybdenum (Mo) is deposited on soda lime glass (SLG) through

vacuum techniques such as electron gun approach and sputtering

technique with an inexpensively

[70,71]

. CuInS

2

(CIS) based photo-

voltaic device also use Molybdenum (Mo) as back contact electrode

[72]

. CIGS/Mo interface having ohmic contact conduct with MoSe

2.

Raud and Nicolet work on the Mo/Se, Mo/In, and Mo/Cu di

ffusion

pairs has shown Se to react with Mo to form MoSe

2

with lesser quantity

at annealing temperature of nearly 600 °C

[73]

.

Assmann et al.

[74]

has shown the presence of MoSe2 at the Mo/

CIGS interface and its better mechanical strength at the interface which

has the signi

ficance of higher adhesion. Shimizu et al.

[75]

has sug-

gested that the Molybdenum (Mo) thickness will be various between the

0.2

–0.07 µm from the properties of CIGS based photovoltaic, whereas

the optimum thickness of the Molybdenum (Mo) is 0.2 µm. Introducing

water vapor during CIGS growth increases the overall photovoltaic

properties

[74,75]

. Kim et al.

[76]

has attempted and suggested that

Mo/Mo bilayer with Na doped combination deposited on Alumina

substrate. It will be enhanced the photovoltaic performance. Guillen

et al.

[77]

has suggested the properties of Molybdenum (Mo) based thin

films evaporated onto huge area of 30 × 30 cm

2

on soda lime glass

(SLG) substrate at di

fferent depositions. During the formation of films,

sodium (Na) ion di

ffuse from the soda lime glass (SLG) substrate

through the Mo based back contact into the absorber layer. The di

ffu-

sion of sodium (Na) into absorber

film depends upon the deposition

conditions of the Mo based back contact

[78]

. Jaegaermann et al.

[79]

and Wada et al.

[80]

investigated the schottky barrier in Molybdenum

(Mo)

films when deposited on the CIGS films. Due to the schottky

barrier at the Mo/CIGS interface, resistive losses have occurred which

a

ffected the device efficiency.

Tong et al.

[81]

investigated the vacuum thermal annealing ap-

proach based on Molybdenum (Mo) back contacts to enhance the

crystalline properties of Molybdenum (Mo)

films and CuInS

2

(CIS) ab-

sorber which leads to enhance the photovoltaic e

fficiency. CZTS based

thin

film photovoltaic was fabricated using Molybdenum (Mo) as a

back-contact electrode. Rapid thermal annealing technique based on

Molybdenum (Mo) back contact electrode has enhanced the crystalline

properties of evaporated CZTS absorber with better e

fficiency

[82]

.

Mostly CZTS based thin

film photovoltaic were made using metal foils

substrate like stainless steel, Molybdenum (Mo) and aluminum (Al) as a

back contacts electrode

[83]

. Primary choice is Molybdenum (Mo) foil

substrate as a back contact because of its well-matched coe

fficient of

linear expansion is 5.2 × 10

−6

K

−1

, which is a better expansion range

compare to other metal foil substrate

[84]

. The purity of Molybdenum

(Mo) foil will be high so no need for barrier layer at the photovoltaic

device structure and high purity level Molybdenum (Mo) foil to en-

hance the electrical properties of the absorbers of the photovoltaic

[85]

.

The Molybdenum (Mo) foil is also a

flexible metallic substrate with low

cost, less-weight, durable and resistant to high temperature fabrication

processes. Hence the total cost of fabrication is less to construct a

photovoltaic module with

flexible metallic substrates. Finally, Mo-

lybdenum (Mo) foil is used to enhance the performance of absorber

with improved photovoltaic performance

[83]

.

4.2. CZTS on Si substrate

The

first-generation photovoltaic is likewise known as conventional,

traditional or wafer-based cells are crafted from crystalline silicon.

Commercially to be had and fabricated photovoltaic devices includes

substances inclusive of polysilicon and mono crystalline silicon. The

maximum commonplace bulk fabric for photovoltaic is crystalline si-

licon (c-Si), which is likewise known as solar grade silicon. Bulk silicon

is separated into the multiple categories in step with crystallinity and

crystal length within the ensuring ingot, ribbon or wafer. These cells are

functionally primarily based on the concept of p-n junction photo-

voltaics

[86]

. Monocrystalline silicon photovoltaics are more e

fficient

and more expensive than most other kind of cells. The corners of the

cells look clipped, like an octagon due to the method worried in cutting

the wafer fabric from the cylindrical ingots, that are typically grown

through the Czochralski process technique. Solar panels using mono-Si

cells display a one of a kind sample of small white diamonds

[87]

.

Epitaxial wafers of crystalline silicon may be grown on a mono-

crystalline silicon "seed" wafer by means of chemical vapor deposition

(CVD). Then the wafers may be indi

fferent as self-supporting wafers of

some standard thickness (e.g., 250 µm) and manipulated through hand.

Then the wafers are immediately substituted for wafer cells cut from

monocrystalline silicon ingots

[88]

.

Photovoltaic made with this "ker

fless" have efficiencies drawing

close the one of wafer-cut cells. Instead, reduced cost of fabrication was

accomplished when the chemical vapor deposition (CVD) can be per-

formed at atmospheric pressure in a high-throughput inline manner.

The surface of epitaxial wafers is textured to improved light absorption

[89]

. Polycrystalline silicon cells manufactured from the forged rec-

tangular ingots and huge blocks of molten silicon are carefully cooled

and solidi

fied. They consist of small crystals giving the fabric its stan-

dard metal

flake effect. Polysilicon cells are the maximum common

substances utilized in photovoltaics because of its monetary avail-

ability. These cells are better than monocrystalline silicon. Ribbon si-

licon is a sort of polycrystalline silicon which is formed through the

drawing

flat thin films from molten silicon which results in a poly-

crystalline shape. These cells are inexpensive to make than multi-Si

because of extraordinary discount in silicon waste, as this method does

not require sawing from ingots

[90]

. Silicon thin-

film cells were

M. Ravindiran, C. Praveenkumar