[논문 리뷰] Vacancy enhanced cation ordering enables >15% efficiency in Kesterite solar cells

Jinlin Wang, Licheng Lou외 10명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 09.

Silicon and Solar Cell Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 킬러라이트 CZTSSe 태양전지에서 구리- zinc 이온 정렬을 향상시키기 위해 고갈 상태를 활용하는 전략을 제안하며, 원자적 무질서와 전하 손실을 감소시킨다. 표면 고갈을 통해 이온 정렬의 운동 에너지 장벽을 낮추어, 공인된 전력 변환 효율 14.9% (0.27 cm²)와 13.3% (1.1 cm²)를 달성하였다. 이는 지구에 풍부하고 저비용인 페로브스카이트 대체재로서 15% 이상의 효율 달성에 있어 중요한 도약을 이룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 킬러라이트 CZTSSe 태양전지에서 구리- zinc 이온 무질서 문제를 해결하기 위해, 깊은 수준의 결함과 전하 재결합으로 인해 효율이 심각하게 제한되는 문제에 대응한다.
• 열역학적-운동적 역설을 극복하기 위해, 열역학적으로 유리하지만 운동적 속도가 느려서 원하는 정렬-무질서 전이가 이루어지지 않는 문제를 해결한다.
• 재료의 안정성이나 공정 적합성에 영향을 주지 않으면서도, 이온 정렬 운동적 속도를 가속화하는 실용적인 고갈 공 ing 전략을 개발한다.
• 소형 및 대형 면적 기판에서 모두 공인 효율이 13% 이상을 초과하는 스케일러블 고효율 킬러라이트 태양전지를 구현한다.

제안 방법

• 킬러라이트 표면에 고갈을 의도적으로 도입하여 국소 전자 환경을 변화시키고, 이온 상호확산의 활성화 에너지를 감소시킨다.
• 현장 및 비현장 특성 분석 기법을 활용하여, 제어된 고갈 조건 하에서 이온 정렬의 진화를 모니터링한다. 여기에는 X선 회절 및 전자현미경이 포함된다.
• 흡수층 인터페이스를 설계하여 고갈을 매개로 하는 확산 경로를 유도하여, 랜덤 혼합 대비 Cu-Zn 정렬을 선호하도록 한다.
• 장치 구조 및 버퍼층을 최적화하여 향상된 이온 정렬을 유지하고, 인터페이스 재결합을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통제된 고갈 공 ing 전략이 킬러라이트 흡수층에서 Cu-Zn 이온 정렬의 운동 에너지 장벽을 효과적으로 낮출 수 있는가?
• RQ2 고갈 농도가 증가할수록 킬러라이트 재료에서 이온 정렬 정도와 결함 생성 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고갈을 활용한 정렬 전략이 CZTSSe 태양전지의 개방 회로 전압과 전하 수확 효율에 어느 정도 향상 효과를 미치는가?
• RQ4 이 전략은 대면적 장치로도 스케일업 가능하며, 높은 효율성과 재현성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 고갈을 활용한 전략은 원자 간 상호교환 에너지 장벽을 감소시켜, 킬러라이트 흡수층에서 더 빠르고 완전한 Cu-Zn 정렬을 가능하게 하였다.
• 향상된 이온 정렬로 인해 깊은 수준의 결함과 전하 재결합이 크게 감소하였고, 개방 회로 전압과 필러 팩터가 향상되었다.
• 0.27 cm² 장치에서 공인된 전력 변환 효율 14.9%를 달성하였으며, 1.1 cm² 장치에서는 13.3%의 공인 효율을 기록하여 모두 13%를 초과하였다.
• 이 방법은 스케일러블하고 내구성이 있으며, 다양한 장치 면적에서 핵심 태양전지 파rameter에 변화 없이 높은 성능을 유지하였다.