Structural Transition and Band Gap Tuning of Cu₂(Zn,Fe)SnS₄ Chalcogenide for Photovoltaic Application

Abstract

CZFTS) thin films have been fabricated using chemical spray pyrolysis accompanied by postsulfurization. The postsulfurized CZFTS films demonstrate promising morphological, structural, and optical properties for photoabsorber in thin film photovoltaics. The structural transition from stannite to kesterite is found with the increase of zinc content in CZFTS alloy by using X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The band gap energies of postsulfurized CZFTS films are observed to be tuned from ∼1.36 ± 0.02 to 1.51 ± 0.02 eV in parabolicincrease trend with increasing Zn content (0 ≤ z ≤ 1). A small bowing constant b ∼ 0.1 ± 0.05 eV deduced from band gap bowing model implicates good miscibility of alloyed constituents in the host crystal lattice.

Structural, optical and electrical properties of Cu2FeSnX4 (X=S, Se) thin films prepared by chemical spray pyrolysis

“…Even if the kesterite CZTSSe solar cell has achieved a record PCE of 12.6% by adopting hydrazine based deposition [5], the issues associated with secondary phases, defect and band grading have imposed challenges to progress the CZTSSe thin film solar cell competitive to CIGS solar cell device [3,4]. For the sake of alternative absorber layer, a member of Cu-based quaternary chalcogenide family Cu 2 FeSnS 4 (Se 4 ) (CFTS (Se)) [6] has been considered as a promising candidate due to earth abundant constituents and similar structural and optical properties to CZTSSe [2,4,7,8]. Recently, a number of researches have been carried out on CFTS (Se) materials and reported to have optical band gaps, 1.28-1.50 eV for CFTS [7][8][9][10][11][12][13][14][15][16] and 1.10-1.25 eV for CFTSe [17][18][19] suitable for absorber layer in photovoltaic application.…”

Электрические и оптические свойства пленок Cu-=SUB=-2-=/SUB=-Zn(Fe,Mn)SnS-=SUB=-4-=/SUB=-, изготовленных спрей-пиролизом

“…В модели пленок из поликристаллических зерен огра-ничения подвижности носителей заряда µ барьерами границ зерен E b пропорциональны уменьшению ими электропроводности σ (12). Поскольку при пневма-тическом спрей-пиролизе размеры зерен в пленках CZTS и CFTS отличаются незначительно и составля-ют L ∼ 200 nm [11,20,40], значения подвижности ды-рок, близкие µ p ∼ 3−10 cm 2 /(V · s) [11] для CFTS и µ p ∼ 5−30 cm 2 /(V · s) для CZTS [42], то основной при-чиной различия в электропроводности исследуемых пле-нок являются электрические свойства самих кристал-литов, которые определяются концентрацией дырок p 0 . При одинаковых условиях изготовления пленок CZTS и CFTS их электропроводность определяется прежде всего концентрацией основных носителей заряда в кристал-литах.…”

“…В исследуемых пленках CMTS также наблюдается увеличение E g при замещении Zn в соединении Cu 2 ZnSnS 4 на Mn с образо-ванием Cu 2 MnSnS 4 . Уменьшение ширины запрещенной зоны в пленках CFTS по сравнению с CZTS зафикси-ровано в случаях получения кристаллических структур, отличных от станита и кастерита -цинковой обманки или вюрцита [6,8,9,15,20].…”

“…Для получения тонких пленок CZTS и CFTS исполь-зуют методы сульфуризации предварительно созданных на подложках слоев металлов [12][13][14][15], термического испарения в вакууме [16], лазерного осаждения [17], магнетронного распыления [18], химического осажде-ния [9], спрей-пиролиза [11,19,20] и другие. Среди спо-собов изготовления пленок CZTS и Cu 2 MnSnS 4 (CMTS) метод спрей-пиролиза характеризуется простой реализа-цией, высокой мобильностью условий нанесения слоев и отсутствием сложного технологического оборудова-ния.…”

The AACVD of CFTS Family of Materials

“…19,20 Varying the Fe: Zn in CFTS and S:Se ratio in CZTS can tune both the band gap and lattice parameter. [18][19][20][21][22] Herein we report the thin films deposition of this multinary family of materials by AACVD and the investigation of different parameters affecting the phase, morphology, band gap and electrical resistance of these materials. …”