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

327

---

References

[1]

Winkler MT, Wang W, Gunawan O, Hovel HJ, Todorov TK, Mitzi DB. Optical de-

signs that improve the e

fficiency of Cu

2

ZnSn(S,Se)

4

solar cells. Energy Environ Sci

2013;3(E7):1029

–36

.

[2] Sandip Das, Krishna C Mandal, Raghu N Bhattacharya, Earth-Abundant Cu

2

ZnSn(S,

Se)

4

(CZTSSe) Solar Cells.

[3]

Chen S, Gong XG, Walsh A, Wei S-H. Crystal and electronic band structure of

Cu2ZnSnX4 (X=S and Se) photovoltaic absorbers:

first-principles insights. Appl

Phys Lett 2009;94(E4). [041903]

.

[4] Antifreeze, cheap materials may lead to low-cost solar energy, Oregon State

University; 2013.

[5]

Guen L, Glaunsinger WS. Electrical, magnetic, and EPR studies of the quaternary

chalcogenides Cu

2

AIIBIVX

4

prepared by iodine transport. J Solid State Chem

1980;35:10

–21

.

[6]

Matsushita H, Ichikawa T, Katsui A. Structural, thermodynamical and optical

properties of Cu

2

-II-IV-VI

4

quaternary compounds". J Mater Sci 2005;40(E8)

.

[7]

Ichimura Masaya, Nakashima Yuki. Analysis of atomic and electronic structures of

Cu

2

ZnSnS

4

based on

first-principle calculation. Jpn J Appl Phys

2009;48(E9):090202

.

[8]

Katagiri Hironori, Saitoh Kotoe, Washio Tsukasa, Shinohara Hiroyuki, Kurumadani

Tomomi, Miyajima Shinsuke. Development of thin

film solar cell based on

Cu

2

ZnSnS

4

thin

films. Sol Energy Mater Sol Cells 2001;65(E8):141–8. [8]

.

[9]

Katagiri Hironori, Jimbo Kazuo, Maw Win Shwe, Oishi Koichiro, Yamazaki

Makoto, Araki Hideaki, Takeuchi Akiko. Development of CZTS-based thin

film

solar cells. Thin Solid Films 2009;517(E7):2455

–60. [5]

.

[10]

Todorov TK, Reuter KB, Mitzi DB. High-e

fficiency solar cell with earth-abundant

liquid-processed absorber. Adv Mater 2010;22(20):E156

.

[11]

Todorov Teodor, Mitzi David. Shedding light on new frontiers of solar cell semi-

conductors. IBM Retrieved 2012. [22 August]

.

[12] Ho

ffman R, Materials for CZTS photovoltaic devices. In The NNIN REU Research

Accomplishments; 2009. p. 82

–83.

[13]

Riha SC, Parkinson BA, Prieto AL. Solution-based synthesis and characterization of

Cu

2

ZnSnS

4

nanocrystals. J Am Chem Soc 2009;131(34):12054

–5

.

[14]

Steinhagen C, Panthani MG, Akhavan V, Goodfellow B, Koo B, Korgel BA.

Synthesis of Cu

2

ZnSnS

4

nanocrystals for use in low-cost photovoltaics. J Am Chem

Soc 2009;131(35):12554

–5

.

[15]

Hall SR, Szymanski JT, Stewart JM. Kesterite Cu2(Zn, Fe) SnS4 and stannite

Cu

2

(Fe, Zn) SnS

4

structurally similar but distinct minerals. Can Mineral

1978;16:131

–7

.

[16]

Karimi M, Eshraghi MJ, Jahangir V. A facile and green synthetic approach based

on deep eutectic solvents toward synthesis of CZTS nanoparticles. Mater Lett

2016;171:100

–3

.

[17]

Song Xiangbo, Ji Xu, Li Ming, Lin Weidong, Luo Xi, Zhang Hua. A review on de-

velopment prospect of CZTS based thin

film solar cells. Int J Photo

2014;2014(Article ID 613173):11

.

[18]

Suryawanshi MP, Agawane GL, Bhosale SM, Shin SW, Patil PS, Kim JH, Moholkar

AV. CZTS based thin

film solar cells: a status review. Adv Perform Mater

2013;28:98

–109

.

[19]

Vos A De. Detailed balance limit of the e

fficiency of tandem solar cells. J Phys D

1980;13(839)

.

[20] Márquez J, Neuschitzer M, Dimitrievska M, Gunder R, Haass S, Werner M,

Romanyuk YE, Schorr S, Pearsall1 NM, Forbes1 I, Systematic compositional

changes and their in

fluence on lattice and optoelectronic properties of Cu

2

ZnSnSe

4

kesterite solar cells.

[21]

Ito K, Nakazawa T. Electrical and optical properties of stannite-type quaternary

semiconductor thin

films. Jpn J Appl Phys 1988;27(11):2094–7

.

[22]

Tsuyoshi Maeda. First-principles study on Cd doping in Cu

2

ZnSnS

4

and

Cu

2

ZnSnSe

4

. Jpn J Appl Phys 2012;51(10NC11)

.

[23]

Shin B, Gunawan O, Zhu Y, Bojarczuk NA, Chey SJ, Guha S. Thin

film solar cell

with 8.4% power conversion e

fficiency using an earth-abundant

Cu

2

ZnSnS

4

absorber. Prog Photovolt: Res Appl 2011;21(1):72

–6

.

[24]

Xiao Zhen-Yu, Li Yong-Feng, Yao Bin, Deng Rui, Ding Zhan-Hui, Wu Tom, Yang

Gang, Li Chun-Ran, Dong Zi-Yuan, Liu Lei, Zhang Li-Gong, Zhao Hai-Feng.

Bandgap engineering of Cu

2

CdxZn

12

xSnS

4

alloy for photovoltaic applications: a

complementary experimental and

first-principles study. J Appl Phys

2013;114(183506)

.

[25]

Ichimura W BaoandM. Prediction of the band o

ffsets at the CdS/Cu2ZnSnS4 in-

terface based on the

first-principles calculation. Jpn J Appl Phys 2012;51(10).

[10NC31

–10NC314]

.

[26]

Sellers DG, Polly S, Hubbard SM, Doty MF. Analyzing carrier escape mechanisms

in InAs/GaAs quantum dot p-i-n junction photovoltaic cells. Appl Phys Lett

2014;104(223903)

.

[27]

Haight R, Barkhouse A, Gunawan O, et al. Band alignment at the Cu

2

ZnSn (SxSe1-

x)4/CdS interface. Appl Phys Lett 2011;98(25):253502. [Article ID]

.

[28]

Chen S, Walsh A, Yang JH, et al. Compositional dependence of structural and

electronic properties of Cu2ZnSn(S,Se)4 alloys for thin

film solar cells [Article ID].

Phys Rev B 2011;83(12):125201

.

[29] Sahu SN, Pandey RK, Chandra S, ookhandbook of semiconductor electrodeposi-

tion, Marcel Dekker, New York; 1996.

[30] Shin B, Gunawan O, Zhu Y, Bojarczuk NA, Chey SJ, Guha S, Prog Photovolt. Res

Appl 2011.

http://dx.doi.org/10.1002/pip.1174

.

[31]

Katagiri H, Jimbo K, Yamada S, Kamimura T, Maw WS, Fukano T, Ito T, Motohiro

T. Appl Phys Express 2008;041201

.

[32]

Maeda K, Tanaka K, Fukui Y, Uchiki H. Sol Energy Mater Sol Cells

2011;95:2855

–60

.

[33] Moholkar AV, Shinde SS, Babar AR, Sim K, Lee H, Rajpure KY, Patil PS, Bhosale

CH, Kim JH, J Alloys Compd, 509. p. 7439

–7446.

[34] Prabhakar T, Nagaraju J, Proceedings 37th IEEE PVSC 2011 (Seattle, USA); 2011.

[35]

Steinhagen C, Panthani MG, Akhavan V, Goodfellow B, Koo B, Korgel BJ. Am

Chem 2009:12554

–5

.

[36]

Zhou Z, Wang Y, Xu D, Zhang Y. Sol Energy Mater Sol Cells 2010;94:2042

–5

.

[37]

Wangperawong A, King JS, Herron SM, Tran BP, Pangan-Okimoto K, Bent SF. Thin

Solid Films 2011;519:2488

–92

.

[38]

Scragg JJ, Dale PJ, Peter LM, Zoppi G, Forbes I. Phys Stat Sol B 2008;245:1772

–8

.

[39]

Lincot D. Electrodeposition of semiconductors. Thin Solid Films

2005;487(1

–2):40–8

.

[40]

Scragg JJ, Dale PJ, Peter LM. Towards sustainable materials for solar energy

conversion: preparation and photo electrochemical characterization of Cu

2

ZnSnS

4

.

Electrochem Commun 2008;10(4):639

–42

.

[41]

Araki H, Kubo Y, Jimbo K, et al. Preparation of Cu

2

ZnSnS

4

thin

films by sulfur-

ization of co-electroplated Cu-Zn-Sn precursors. Phys Status Solidi C

2009;6(5):1266

–8

.

[42]

Scragg JJ, Berg DM, Dale PJ. A 3.2% e

fficient Kesterite device from electro-

deposited stacked elemental layers. J Electroanal Chem 2010;646(1

–2):52–9

.

[43]

Schurr R, Hölzing A, Jost S, et al. The crystallization of Cu

2

ZnSnS

4

thin

film solar

cell absorbers from co-electroplated Cu-Zn-Sn precursors. Thin Solid Films

2009;517(7):2465

–8

.

[44]

Ahmed S, Reuter KB, Gunawan O, Guo L, Romankiw LT, Deligianni H. A high

e

fficiency electrodeposited Cu

2

ZnSnS

4

solar cell. Adv Energy Mater

2012;2(2):253

–9

.

[45]

Washio T, Shinji T, Tajima S, et al. 6% E

fficiency Cu

2

ZnSnS

4

-based thin

film solar

cells using oxide precursors by open atmosphere type CVD

”. J Mater Chem

2012;22(9):4021

–4

.

[46] Katagiri H, Jimbo K, Moriya K, Tsuchida K, Solar cell without environmental

pollution by using CZTS thin

film. In: Proceedings of the 3rd world conference on

photovoltaic energy conversion, 2873; 2003. p. 2874

–2879.

[47]

Shi Chengwu, Shi Gaoyang, Chen Zhu, Yang Pengfei, Yao Min. Mater Lett

2012;73:89

–91

.

[48] Friedlmeier TM, Wieser N, Walter T, Dittrich H, Schock H-D, Heterojunctions

based on Cu

2

ZnSnS

4

and Cu

2

ZnSnSe

4

thin

films. In: Proceedings of the 14th

European photovoltaic solar energy conference; 1997. p. 1242

–1245.

[49]

Jackson P, Hariskos D, Lotter E, et al. New world record e

fficiency for Cu (In, Ga)

Se

2

thin-

film solar cells beyond. Progress Photovolt: Res Appl 2011;19(7):894–7

.

[50]

Weber A, Krauth H, Perlt S, et al. Multi-stage evaporation of Cu

2

ZnSnS

4

thin

films.

Thin Solid Films 2009;517(7):2524

–6

.

[51]

Wang K, Gunawan O, Todorov T, et al. Thermally evaporated Cu

2

ZnSnS

4

solar

cells. Appl Phys Lett 2010;97(14):143508

.

[52]

Yang Z. Research on one-step Preparation of CZTS

films and electrochemical op-

tical properties [M.S. thesis]. Dalian Univ Technol 2011

.

[53]

Momose N, Htay MT, Yudasaka T, et al. Cu

2

ZnSnS

4

thin

film solar cells utilizing

sulfurization of metallic precursor prepared by simultaneous sputtering of metal

targets. Jpn J Appl Phys 2011;50(1). [Article ID 01BG09]

.

[54]

Jimbo K, Kimura R, Kamimura T, et al. Cu

2

ZnSnS

4

-type thin

film solar cells using

abundant materials. Thin Solid Films 2007;515(15):5997

–9

.

[55]

Katagiri H, Jimbo K, Yamada S, et al. Enhanced conversion e

fficiencies of

Cu

2

ZnSnS

4

-based thin

film solar cells by using preferential etching technique. Appl

Phys Express 2008;1(4):041201. [Article ID]

.

[56]

Muhunthan N, Singh OP, Singh S, Singh VN. Growth of CZTS thin

films by co-

sputtering of metal targets and sulfurization in H

2

S. Int J Photoenergy

2013;2013:7. [Article ID 752012]

.

[57]

Zhang S. CZTS thin

film and it's research progress of solar cell. Eng Technol

2010;no. 8:67

–9

.

[58]

Moholkar AV, Shinde SS, Babar AR, et al. Development of CZTS thin

films solar

cells by pulsed laser deposition: in

fluence of pulse repetition rate. Sol Energy

2011;85(7):1354

–63

.

[59]

Tanaka K, Oonuki M, Moritake N, Uchiki H. Cu

2

ZnSnS

4

thin

film solar cells pre-

pared by non-vacuum processing. Sol Energy Mater Sol Cells 2009;93(5):583

–7

.

[60]

Tanaka K, Fukui Y, Moritake N, Uchiki H. Chemical composition dependence of

morphological and optical properties of Cu

2

ZnSnS

4

thin

films deposited by sol-gel

sulfurization and Cu

2

ZnSnS

4

thin

film solar cell efficiency. Sol Energy Mater Sol

Cells 2011;95(3):838

–42

.

[61]

Barkhouse DAR, Gunawan O, Gokmen T, Todorov TK, Mitzi DB. Device char-

acteristics of a 10.1% hydrazine-processed Cu

2

ZnSn (Se, S)

4

solar cell. Prog

Photovolt: Res Appl 2012;20(1):6

–11

.

[62]

Li Ji, Du Qingyang, Liu Weifeng, Jiang Guoshun, Feng Xuefei, Zhang Wenhua, Zhu

Junfa, Zhu Changfei. The Band O

ffset at CdS/Cu

2

ZnSnS4 Heterojunction Interface.

Electron Mater Lett 2012;8(4):365

–7

.

[63]

Meng Lei, Li Yongfeng, Yao Bin, Ding Zhanhui, Yang Gang, Liu Ruijian, Deng Rui,

Liu Lei. Visible-blind ultraviolet photodetector based on p-Cu

2

CdSnS

4

/n-ZnS het-

erojunction with a type-I band alignment. J Appl Phys Vol 2016;120(235306)

.

[64]

Jia Jinhuan, Li Yongfeng, Yao Bin, Ding Zhanhui, Deng Rui, Jiang Yuhong, Sui

Yingrui. Band o

ffsets of Ag

2

ZnSnSe

4

/CdS heterojunction: an experimental and

first-principles study. J Appl Phys 2017;121(215305)

.

[65]

Dong Zi-Yuan, Li Yong-Feng, Yao Bin, Ding Zhan-Hui, Yang Gang, Deng Rui, Fang

Xuan, Wei Zhi-Peng, Liu Lei. An experimental and

first-principles study on band

alignments at interfaces of Cu

2

ZnSnS

4

/CdS/ZnO heterojunctions. J Phys D: Appl

Phys 2014;47(075304)

.

[66]

Nagoya1 A, Asahi R, Kresse G. First-principles study of Cu2ZnSnS4 and the related

band o

ffsets for photovoltaic applications. J Phys: Condens Matter, Vol

2011;23(404203)

.

M. Ravindiran, C. Praveenkumar