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

323

---

and composition CZTS has attracted high quality attention. The huge

range of interest is because of its viable use as absorber layer in pho-

tovoltaics as a result of numerous bene

fits. CZTS has a high absorption

coe

fficient, of the order of 10

4

cm

–1

, with a band gap between 1.45 eV

and 1.6 eV which facilitates in high conversion e

fficiencies

[21,98]

. The

photovoltaics manufactured with some of these methods have dis-

tinctive performance because the composition of CZTS thin

film become

quite special and besides many secondary phases which includes ZnS

have been present. In order to remit those secondary phases, thermal

treatment at exclusive temperatures both in inert or reactive atmo-

sphere is performed. Thermal treatment was also carried out to govern

the crystallinity of the deposit, because a number of above cited man-

ufacture techniques produce either amorphous or nanocrystalline CZTS

based

film

[99]

(

Figs. 7

and

8

).

A new synthetic approach became employed to obtain a CZTS based

totally absorbing layer the usage of a quaternary compound target

which has comparable properties to that of copper indium gallium se-

lenide (CIGS). A traditional R-F magnetron sputtering device turned

into used to manufacture the CZTS based absorber layers on the glass

substrates. The

films have been hastily thermally annealed at 500 °C in

a nitrogen atmosphere for 20 min to enhance their crystallinity. The

formation of the kesterite shape changed into con

firmed usage of X-ray

di

ffraction measurements (XRD). The stepped forward crystallinity of

the CZTS changed into determined with (112) oriented phase. The band

gap of deposited and annealed

films turned into discovered to be

1.97 eV and 1.55 eV respectively

[100]

. Ultrasonic Spray Pyrolysis is

the deposition approach, wherein the solution is atomizing ultra-

sonically, thereby giving a

fine mist having a narrow length distribution

which may be used for the uniform coatings on substrates. An Ultra-

sonic Spray Pyrolysis system turned into evolved and CZTS based ab-

sorber layers had been e

fficaciously grown with this approach on soda

lime glass (SLG) substrates usage of aqueous solutions. Substrate tem-

peratures ranging from 523 K to 723 K had been used to deposit the

CZTS based layers and these

films have been characterized using

scanning electron microscope (SEM), X-ray di

ffraction measurements

(XRD). It changed into located that the

film crystallized in the kesterite

Fig. 4. Schematic representation of CZTS/Si based solar cell with characteristics results a) device structure, b) SEM image, c) conductivity and d) resistance-

temperature characteristics. (Source - https://www.intechopen.com/books/solar-cells-research-and-application-perspectives/cu2znsns4-thin-

film-solar-cells-pre-

sent-status-and-future-prospects).

Fig. 5. Schematic representation and SEM image of CZTS/ZnO based solar cell, a) device characteristics and b) SEM image of the device.

(source -)

M. Ravindiran, C. Praveenkumar

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

324

---

shape and best crystallites have been received at 613 K. It was found

that the grain length step by step elevated with temperature having

optical band gap of 1.54 eV

[101,102]

(

Fig. 4

).

The CZTS based absorbing layers have been grown copper-wealthy,

requiring a KCN etch step to dispose the excess of copper sul

fide. The

compositional ratios as determined through the energy-dispersive X-ray

spectroscopy (EDX) after the KCN etch are Cu/(ZnþSn): 1.0 and Zn/Sn:

1.0. A photovoltaic with the performance of 4.1% and an open-circuit

voltage of 541 mV became acquired

[103]

. Copper (Cu)-based qua-

ternary kesterite compounds CZTS, CZTSe, and blended chalcogenide

Cu

2

ZnSn (SxSe1-x)

4

(CZTSSe) have emerged as the capability oppor-

tunity to current CIGS and CdTe absorbers in thin

film based photo-

voltaic. CZTS (Se) is an appealing preference for thin

film based pho-

tovoltaic absorber fabric owing to tunable direct band gap of 1.0

–1.5 eV

with a huge optical absorption coe

fficient (> 10

4

cm

−1

) and p-type

conductivity

[104]

.

Among numerous deposition strategies, electrodeposition is one of

the promising techniques for making CZTS based absorber

films be-

cause of its low-fee equipment's, huge scale production and morphology

[105]

.

4.5. CZTS on perovskite based solar cell

Perovskite based photovoltaic is a kind of photovoltaic that's in the

form of perovskite based structured. First invented perovskite com-

pound is oxide perovskite (CaTiO

3

) in the year of 1839. This oxide

perovskite was available in nature. And then perovskite-based materials

mostly used as a light absorbing layer of the photovoltaic device.

Because it is the grater solar absorbent compound. Compared to fab-

rication of perovskite based photovoltaic device is easier than tradi-

tional silicon based photovoltaic. Since silicon-based device fabrication

involves more precision and cost due to the defects during the fabri-

cation process, alternative materials and device structures were ana-

lyzed. Perovskite based photovoltaic device fabrication is an alternative

approach which may not need a high precision sophisticated equip-

ment's and also very economical to fabricate.

[106,107]

. Quantum dots

were used with the perovskite layers to improve the e

fficiency of the

solar cells. CsPbCl

3

:Mn quantum dots were synthesized for boosting and

improving the stability of the perovskite solar cells. CsPbCl

3

:Mn layer is

used to downshift the energy which converts the wasted energy in the

UV region to visible light of approximately 590 nm. Hence the overall

e

fficiency of the cell is improved to 3.34%

[108]

.

In general lead halide perovskite-based compounds are combination

of organic and inorganic substances. It has a general formula of ABX

3

,

where A, B denoted as cations and X denoted as halide anions. The lead

halide based perovskite compounds mostly act as a light absorbent of

the photovoltaic device. The frequently using perovskite compound is

methylammonium

lead

halide

have

a

chemical

formula

of

CH

3

NH

3

PbX

3

. it will be like a ABX

3

Structure, Where X is a halide anion

(iodine, bromine). The lead halide is fabricated from the easily avail-

able sources in nature like carbon (C), nitrogen (N), lead (Pb), halides.

These perovskite substances having speci

fic optical properties, elec-

trical conductivity properties. The band gap of lead halide perovskite

structure is between the range of 1.55

–2.3 eV. The band gap of lead

halide perovskite structure depends upon how much amount of halide

contains in the compounds. If vary the halide content in the compounds

vice versa vary the band gap range into between 1.55 eV and 2.3 eV

[109,110]

.

Fig. 6. CZTS solar cell on Molybdenum(Mo) foil, a) device structure, b) SEM image of device and c) absorbance. (source - https://www.hindawi.com/journals/ijp/

2011/801292/Fig. 3/).

Fig. 7.

– Crystal lattice of the methylammonium lead halide (CH

3

NH

3

PbX

3

) per-

ovskite structure. (source - https://en.wikipedia.org/wiki/Perovskite_solar_cell).

M. Ravindiran, C. Praveenkumar