[논문 리뷰] Sn4+ Precursor Enables 12.4% Efficient Kesterite Solar Cell from DMSO Solution with Open Circuit Voltage Deficit Below 0.30 V

Yuancai Gong, Yifan Zhang외 13명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 22.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 디메틸설폭사이드(DMSO) 용액에서 Sn⁴⁺를 전구체로 사용함으로써 셀레니제이션 동안 균일한 키테르라이트(CZTSSe) 흡수체 상이 형성됨을 보여주며, 개방회로 전압 손실(Voc,def)이 단지 0.297 V에 불과한 12.4% 효율의 태양전지를 달성함. 이는 보고된 바 중에서 가장 낮은 수준임. Sn⁴⁺-DMSO 복합체는 키테르라이트 상의 직접 형성을 촉진하여 Sn²⁺ 기반 전구체에 비해 결함을 감소시키고 필름 품질을 향상시킴.

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.

연구 동기 및 목표

• 키테르라이트 CZTSSe 태양전지에서 높은 개방회로 전압 손실(Voc,def) 문제를 해결하기 위해.
• DMSO 처리된 CZTSSe 장치에서 주철 전구체 산화 상태(Sn²⁺ 대비 Sn⁴⁺)가 필름 품질과 태양전지 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특히 Sn⁴⁺의 DMSO 및 티오우레아와의 복합화가 반응 경로와 최종 흡수체 상 형성에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 후처리 이종접합 열처리(JHT)를 통한 장치 성능 최적화 및 Sn²⁺ 대비 Sn⁴⁺ 기반 시스템에 미치는 영향 평가하기 위해.
• 이론적 한계에 가까운 높은 효율과 낮은 Voc 손실을 동시에 달성하는 키테르라이트 태양전지 구현하기 위해.

제안 방법

• CZTSSe 흡수체 층 도포를 위한 DMSO 기반 용액에서 SnCl₄와 SnCl₂·2H₂O를 주철 전구체로 사용함.
• 키테르라이트(CZTS) 상의 직접 핵형성 촉진을 위한 Sn⁴⁺-DMSO 복합체 형성.
• 반응 동역학과 상 진화를 제어하기 위해 티오우레아(Tu)를 황원료 및 복합 리간드로 사용함.
• 촉매적 스토이히오메트리 조절을 통한 셀레니제이션으로 황화물 상을 최종 CZTSSe 흡수체 상으로 전환함.
• 반도체 캐리어 수확 및 재결합 감소를 위해 CdS/CZTSSe 인터페이스에 이종접합 열처리(JHT) 적용함.
• XRD, XPS, SEM, J-V 측정 및 EQE를 활용한 필름 조성, 상 구조 및 장치 성능 특성 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주철 전구체 산화 상태(Sn²⁺ 대비 Sn⁴⁺)가 DMSO 처리된 CZTSSe 흡수체에서 반응 경로와 최종 상 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Sn⁴⁺-DMSO 복합체화가 키테르라이트 흡수체 필름의 균일성과 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 Sn⁴⁺ 기반 공정은 Sn²⁺ 기반 공정에 비해 낮은 개방회로 전압 손실을 나타내는가?
• RQ4 이종접합 열처리(JHT)는 Sn⁴⁺ 유래 CZTSSe 태양전지와 Sn²⁺ 유래 태양전지의 성능에 각각 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 전구체 필름에서 사전 형성된 키테르라이트 상 형성이 키테르라이트 태양전지의 높은 효율과 낮은 전압 손실을 가능하게 하는가?

주요 결과

• Sn⁴⁺ 전구체를 사용하여 총면적 기준 전환 효율 12.4%를 기록한 최우수 CZTSSe 태양전지가 달성됨. 활성면적 효율은 13.6%였음.
• 장치는 단지 0.297 V의 개방회로 전압 손실(Voc,def)을 보였으며, 당시까지 보고된 바 중에서 가장 낮은 기록임.
• Sn⁴⁺ 기반 공정은 전구체 필름에서 키테르라이트 상의 직접 형성을 가능하게 하여 조성 균일성 향상과 필름 품질 향상에 기여함.
• 반대로, Sn²⁺ 기반 공정은 SnS 및 ZnS 중간 상의 형성을 유도하여 필름 품질이 열악하고, 효율은 8.84%에 그치며 Voc,def는 0.391 V였음.
• 이종접합 열처리(JHT)는 Sn⁴⁺ 기반 장치의 성능을 크게 향상시켰지만, Sn²⁺ 기반 장치에는 미미한 부정적 영향을 미침.
• Sn⁴⁺ 기반 전구체에서 사전 형성된 키테르라이트 상이 높은 효율과 낮은 전압 손실 달성의 핵심 요소로 규명됨.