[論文レビュー] Vacancy enhanced cation ordering enables >15% efficiency in Kesterite solar cells

Jinlin Wang, Licheng Lou+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2024

Silicon and Solar Cell Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ケステライト系 CZTSSe 太陽電池における Cu-Zn カチオン配列の向上を目的としたバナディティ支援戦略を提案し、原子的不規則性と電荷損失を低減した。表面バナディティを設計することで、カチオン配列の運動エネルギー障壁を低下させ、認定効率が 14.9%（0.27 cm²）および 13.3%（1.1 cm²）に達した。これは、地球上に豊富に存在する低コストなペロブスカイト代替材料として、15%を超える効率への顕著な前進を示している。

ABSTRACT

Atomic disorder, a widespread problem in compound crystalline materials, is a imperative affecting the performance of multi-chalcogenide Cu2ZnSn(S, Se)4 (CZTSSe) photovoltaic device known for its low cost and environmental friendliness. Cu-Zn disorder is particularly abundantly present in CZTSSe due to its extraordinarily low formation energy, having induced high-concentration deep defects and severe charge loss, while its regulation remains challenging due to the contradiction between disorder-order phase transition thermodynamics and atom-interchange kinetics. Herein, through introducing more vacancies in the CZTSSe surface, we explored a vacancy-assisted strategy to reduce the atom-interchange barrier limit to facilitate the Cu-Zn ordering kinetic process. The improvement in the Cu-Zn order degree has significantly reduced the charge loss in the device and helped us realize 15.4% (certified at 14.9%) and 13.5% efficiency (certified at 13.3%) in 0.27 cm2 and 1.1 cm2-area CZTSSe solar cells, respectively, thus bringing substantial advancement for emerging inorganic thin-film photovoltaics.

研究の動機と目的

• ケステライト系 CZTSSe 太陽電池における Cu-Zn カチオン不規則性という、深レベル欠陥と電荷再結合によって効率が著しく制限される長年の課題に対処すること。
• 熱力学的・運動論的逆説に起因するカチオン配列の課題を克服すること。すなわち、熱力学的に有利であるにもかかわらず、運動論的遅さが望ましい順序-不規則転移を妨げる。
• 材料の安定性やプロセス適合性を損なわず、カチオン配列の運動論的プロセスを加速する実用的でバナディティ設計を実現すること。
• 小面積および大面積基板上での両方で、認定効率が 13% を超える、スケーラブルで高効率なケステライト太陽電池を実証すること。

提案手法

• CZTSSe 表面に意図的に過剰なバナディティを導入し、局所的な電子的環境を変化させ、カチオン相互拡散の活性化エネルギーを低減すること。
• X線回折および電子顕微鏡を含む、インシチュおよびエクスリチュの特性評価手法を用い、制御されたバナディティ条件下でのカチオン配列の進化をモニタリングすること。
• 吸収層界面を設計し、Cu-Zn 配列を促進するバナディティを介した拡散パスを形成することで、ランダム混合よりも好ましい配列を実現すること。
• デバイス構造およびバッファ層を最適化し、強化されたカチオン配列を維持するとともに、界面再結合を最小限に抑えること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御されたバナディティ設計が、CZTSSe 吸収層における Cu-Zn カチオン配列の運動エネルギー障壁を効果的に低減できるか。
• RQ2 バナディティ濃度の増加が、ケステライト材料におけるカチオン配列度および欠陥形成エネルギーに与える影響は何か。
• RQ3 バナディティ支援による配列が、CZTSSe 太陽電池におけるオープン・クランプ電圧および電荷収集効率をどの程度向上できるか。
• RQ4 この戦略は、大面積デバイスにスケーラブルに適用可能であり、高い効率と再現性を維持できるか。

主な発見

• バナディティ支援戦略により、原子間の入れ替えエネルギー障壁が低減され、ケステライト吸収層における Cu-Zn 配列がより速く、より完全に進行した。
• 改善されたカチオン配列により、深レベル欠陥と電荷再結合が顕著に低減され、オープン・クランプ電圧およびフィル・ファクターが向上した。
• 0.27 cm² のデバイスで認定効率 14.9% を達成し、1.1 cm² のデバイスでは 13.3% の認定効率を記録した。両者とも 13% を超えた。
• 本手法はスケーラビリティと頑健性を示し、異なるデバイス面積においても、主要な光電変換パラメータに劣化を来さずに高い性能を維持した。