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

319

---

3.2. Synthesis methods for CZTS

Various synthesis methods adopted and its e

fficiency chart is shown

in the

Table 1 [30]

. E

fficiency of the fabricated CZTS device varies with

the synthesis method adopted. The e

fficiency of the device depends on

factors such as deposition rate, layer thickness and synthesis method

adopted. The

Table 1

illustrates the various methods and respective

e

fficiency achieved. Synthesis method of the CZTS depends on the

substrate used and its limitations in using it on the particular synthesis

methods. Each method uses its unique deposition of the elements by the

order of one after the another or the deposition of all the elements at the

same time.

3.2.1. Electrochemical deposition method

First ever electrodeposition method for the fabrication of the CZTS

based solar was done by Scragg et al.

[38]

by dissolving CuCl SnCl and

ZnCl separately in NaOH and sorbitol and deposited in an order of Cu,

Sn and Zn. Electrochemical deposition is a type of coating method used

to remit the cations in the aqueous solution, organic solution in the

cathode by supplying potential di

fference through external circuit

power. Almost more than 40 years electrochemical deposition process

of semiconducting materials was carried out

[39]

. Bath University es-

tablished the method for laminating and vulcanizing electro-deposition

of Cu/Sn/Zn to acquire the CZTS based thin

film photovoltaic in 2008

with a converting e

fficiency of 0.81%

[40]

. Further photovoltaic power

conversion e

fficiency of 3.14% was achieved through one-step co-de-

posited Cu/Zn/Sn alloy and also annealing of 600 °C for 2 h in the

carrier gas having sulfur powder. Above method had hiccup to detect

the constant sulfur source in the electrodeposition of CZTS based

semiconducting compound

[41]

.

In the following years the e

fficiency of 3.24% was attained with the

annealing for 2 h at 575 °C in an atmosphere of N

2

carrier gas having

Sulfur powder with 10% H

2

[42]

. Ennaoui in Germany synthesized the

CZTS based thin

film photovoltaic the efficiency of 3.39% through one-

step co-deposition technique of Cu/Zn/Sn in the solution having 3 mM

Cu

2+

, 3 mM Zn

2+

and 30 mM Sn

2+

. Few complexing agents were

present with the annealing of 2 h at 550 °C in an atmosphere of Ar

gasoline having 5% H

2

S to synthesize CZTS based thin

films with Cu-

poor etching through washing the Cu

x

S in the KCN solution with 3.49%

density. There after light treatment was done for 10 min, which has

resulted in enhanced photovoltaic performance of 3.59%

[43]

. Later

commercially plating solution was deposited with Cu/Zn/Sn after

which laminated with the annealing for half-hour in N

2

at 350 °C. Again

Cu/Zn/Sn was achieved with the annealing of 12 min at 585 °C in the

N

2

environment having sulfur powder. Finally, CdS and ZnO were de-

posited to get the CZTS based thin

film photovoltaic device. Fabricated

device had an e

fficiency of 7.29%

[44]

. Washio et al.

[45]

adopted a

unique technique to make CZTS based thin

film photovoltaic by using

oxide precursors with an open atmosphere chemical vapor deposition

(CVD) technique. CZTS based thin

film photovoltaic are fabricated by

using soda lime glass (SLG) and Molybdenum(Mo) coated substrates.

Then, the sulfurization of oxide precursor became done to make the

thin

films (Cu–Zn–Sn–O) in N

2

+H

2

S (4.9%) atmosphere at 520

–560 °C

for three hours. The device fabricated with the above technique has

better e

fficiency of 6.03%.

3.2.2. Vacuum deposition method

Vacuum deposition method is similar to physical deposition tech-

nique in which the raw materials are loaded into the vacuum chamber

and heated to high temperature. This high temperature heating makes

the atoms or molecules to escape from the surface. The escaped mole-

cules vaporizes and penetrates into the surface of the substrate. The low

temperature of substrate enables the substances to condenses resulting

into a solid thin

film

[17]

. This method is very simple with better

quality of deposition for fabricating the CZTS based thin

films. Main-

taining the ratio of the elemental chemistry of the deposited materials is

cumbersome which will have a low yield. Vacuum thermal evaporation

is a method used to deposit single quaternary CZTS semiconducting

material with an annealing of 300 degrees for 40 min under N

2

atmo-

sphere after deposition

[46]

. In the year 2003, NaS was delivered into

the chamber to improve the vacuum background with the annealing

temperature in the stainless-steel chamber. Device fabricated with the

above technique had an e

fficiency of 5.43%

[47]

. In the year 1998, ZSW

Company of Germany measured the CZTS based thin

film photovoltaic

with e

fficiency of 2.29% through co-evaporation technique

[48]

. ZSW

works on various types of solar cells such as thin

film solar cells, flexible

solar cells and printed solar cells. The ZSW agency of Germany holds

the record in CIGS based photovoltaic with an e

fficiency of 20.3%

[49]

.

ZSW has achieved di

fferent techniques for various layers deposition in

fabricating the CIGS solar cell. In the device structure, the CIGS layer

functions as the absorber layer of the solar cell.

Weber et al.

[50]

found that the temperature of substrate might be

at a variety of 300

–600 °C. Bottleneck within the annealing temperature

is that, once the substrate temperature reaches above 400 °C the Sn loss

will be higher. Hence it had been a big challenge to maintain the

process. In the year 2010, CZTS based thin

film photovoltaic with an

e

fficiency of 6.79% through co-evaporation was attained. The fabri-

cated device with the above approach has shown a new direction in

fabrication of CZTS based cell with better e

fficiency

[51]

. In the year

2011, another new approach was adopted by employing the Cu, Zn, and

Sn evaporation source with Knudsen type and Veeco S source box in

metallic tantalum at the annealing temperature of 540 °C to

−570 °C

for

five minutes. Film made with 600 nm thickness resulted with an

e

fficiency of 8.4%, which is currently the better CZTS based photo-

voltaic e

fficiency without Se

[23]

.

3.2.3. Electron beam evaporation method

Electron beam evaporation is a type of physical vapor deposition

method which bombard of the target anode by electron beam in a high

vacuum environment and evaporate the material from anode. The

material vaporizes and gets deposited in the surface forming a layer of

thin coating. The method is employed for device fabrication and thin

film coatings in order to use it for various applications. Layer thickness

depends on factors such as the particles size, vacuum pressure and the

deposition time takes. In the year 1996, A research group from National

College of Technology applied the electron beam evaporation and

curing method to fabricate the photovoltaic device of ZnO:Al/CdS/

CZTS/Mo/SLG structure with the open circuit voltage of 400 mV, short

circuit current of 6.0 mA/cm

2

,

fill factor of 0.277, and power conver-

sion e

fficiency of 0.67%. In order to improve the conversion efficiency,

Hironori and Katagiri both are employed Cu, Sn (or SnS

2

), and ZnS as

vapor deposition material by the way of the usage of electron beam

evaporation technique, changing the order of deposition from an eva-

poration to multiple cycles evaporation, using soda lime glass (SLG) and

ZnO: Al instead of ZnO as a window layer.

The proposed method had an eventual expanded e

fficiency of 5.43%

[52]

. Electron beam evaporation technique overcomes defects of the

resistance heating evaporation, in particular it is more suitable for the

manufacturing of high-melting point material and high purity thin

film

material. At present, preparation of the CZTS based thin

film with

electron beam evaporation technique is mostly within the research labs.

Electron beam deposition method has signi

ficant advantages when

compared to other methods such as better surface morphology, good

phase matching, and better optical performance when fabricated as a

thin

film

[17]

. Similar to the CZTS fabrication, electron beam eva-

poration method is used for many other device fabrications. Being the

family of physical vapor deposition there has been many other methods

such as sputtering deposition. Following section is introduces about the

sputtering deposition of CZTS

films.

3.2.4. Magnetron sputtering method

Magnetron sputtering is another method in physical vapor

M. Ravindiran, C. Praveenkumar