[論文レビュー] Sn4+ Precursor Enables 12.4% Efficient Kesterite Solar Cell from DMSO Solution with Open Circuit Voltage Deficit Below 0.30 V

Yuancai Gong, Yifan Zhang+13 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2020

Chalcogenide Semiconductor Thin Films参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ジメチルスルホキシド（DMSO）溶液中でSn⁴⁺を前駆体として用いることで、焼成工程中に均一なカスティンライト（CZTSSe）吸収層相が形成されることを示した。これにより、オープン・クランプ電圧の欠陥（Voc,def）がわずか0.297 Vという非常に低い水準にまで低下した12.4%の効率を達成した。Sn⁴⁺-DMSO錯体は、Sn²⁺系前駆体と比較して欠陥が少なく、膜の品質が向上する直接的なカスティンライト相の形成を促進する。

ABSTRACT

The limiting factor preventing kesterite (CZTSSe) thin film solar cell performance further improvement is the large open-circuit voltage deficit (Voc,def) issue, which is 0.345V for the current world record device with an efficiency of 12.6%. In this work, SnCl4 and SnCl2_2H2O are respectively used as tin precursor to investigate the Voc,def issue of dimethyl sulfoxide (DMSO) solution processed CZTSSe solar cells. Different complexations of tin compounds with thiourea and DMSO lead to different reaction pathways from solution to absorber material and thus dramatic difference in photovoltaic performance. The coordination of Sn2+ with Tu leads to the formation of SnS and ZnS and Cu2S in the precursor film, which converted to selenides first and then fused to CZTSSe, resulting in poor film quality and device performance. The highest efficiency obtained from this film is 8.84% with a Voc,def of 0.391V. The coordination of Sn4+ with DMSO facilitates direct formation ofkesterite CZTS phase in the precursor film which directed converted to CZTSSe during selenization, resulting in compositional uniform absorber and high device performance. A device with active area efficiency 12.2% and a Voc,def of 0.344 V was achieved from Sn4+ solution processed absorber. Furthermore, CZTSSe/CdS heterojunction heat treatment (JHT) significantly improved Sn4+ device performance but had slightly negative effect on Sn2+ device. A champion CZTSSe solar cell with a total area efficiency of 12.4% (active are efficiency 13.6%) and low Voc,def of 0.297 V was achieved from Sn4+ solution. Our results demonstrate the preformed uniform kesterite phase enabled by Sn4+ precursor is the key in achieving highly efficient kesterite absorber material. The lowest Voc-def and high efficiency achieved here shines new light on the future of kesterite solar cell.

研究の動機と目的

• カスティンライトCZTSSe太陽電池における依然として高いオープン・クランプ電圧欠陥（Voc,def）の課題を解決すること。
• DMSO処理されたCZTSSeデバイスにおけるスズ前駆体の酸化状態（Sn²⁺ 対 Sn⁴⁺）が膜の品質および発電性能に与える影響を調査すること。
• 特にSn⁴⁺がDMSOおよびチオウレアとどのように配位するかという前駆体化学が、反応経路および最終的な吸収層相形成に与える影響を明らかにすること。
• 後処理ヘテロジャンクション熱処理（JHT）を最適化し、Sn²⁺およびSn⁴⁺系システムにおけるその影響を評価すること。
• 理論的限界に近い低Voc欠陥と高効率を両立したカスティンライト太陽電池の実現を目的とする。

提案手法

• CZTSSe吸収層の堆積に、DMSOを基盤とする溶液中でSnCl₄およびSnCl₂·2H₂Oをスズ前駆体として用いる。
• Sn⁴⁺-DMSO錯体の形成により、前駆体膜内でのカスティンライト（CZTS）相の直接核生成が促進される。
• 反応キネティクスおよび相の進化を制御するため、チオウレア（Tu）を硫黄源および配位子として用いる。
• 前駆体膜のセレン化により、化学 stoichiometry を制御した最終的なCZTSSe吸収層に変換する。
• キャリア収率を向上させ、再結合を低減させるために、CdS/CZTSSe界面にヘテロジャンクション熱処理（JHT）を適用する。
• XRD、XPS、SEM、J-V測定、EQEを用いて、膜の組成、相構造およびデバイス性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スズ前駆体の酸化状態（Sn²⁺ 対 Sn⁴⁺）が、DMSO処理されたCZTSSe吸収層における反応経路および最終相形成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Sn⁴⁺-DMSO錯体の形成が、カスティンライト吸収層の均一性および品質に与える影響は何か？
• RQ3 なぜSn⁴⁺系プロセスはSn²⁺系プロセスと比較して、より低いオープン・クランプ電圧欠陥を示すのか？
• RQ4 ヘテロジャンクション熱処理（JHT）は、Sn⁴⁺由来のCZTSSe太陽電池とSn²⁺由来のものとで、性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 前駆体膜内に事前に形成されたカスティンライト相の生成が、カスティンライト太陽電池の効率向上および電圧損失低減に寄与するか？

主な発見

• Sn⁴⁺前駆体を用いた最良のCZTSSe太陽電池は、総面積効率12.4%を達成し、有効面積効率は13.6%であった。
• デバイスは、当時報告された中で最も低い0.297 Vのオープン・クランプ電圧欠陥（Voc,def）を示した。
• Sn⁴⁺系プロセスにより、前駆体膜内でのカスティンライト相の直接形成が可能となり、組成の均一性と膜品質が向上した。
• 一方、Sn²⁺系プロセスではSnSおよびZnSの中間相が生成され、膜品質が悪化し、効率は8.84%にとどまり、Voc,defは0.391 Vであった。
• ヘテロジャンクション熱処理（JHT）はSn⁴⁺系デバイスの性能を顕著に向上させたが、Sn²⁺系デバイスにはわずかな悪影響を及えた。
• Sn⁴⁺由来の前駆体に事前に形成されたカスティンライト相が、高効率および低電圧損失を実現する鍵要因であると特定された。