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BaCu2Sn(S,Se)4: Earth-Abundant Chalcogenides for Thin-Film Photovoltaics
Chemistry of Materials ( IF 7.2 ) Pub Date : 2016-06-27 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b01832 Donghyeop Shin 1 , Bayrammurad Saparov 1 , Tong Zhu 1 , William P. Huhn 1 , Volker Blum 1 , David B. Mitzi 1
Chemistry of Materials ( IF 7.2 ) Pub Date : 2016-06-27 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b01832 Donghyeop Shin 1 , Bayrammurad Saparov 1 , Tong Zhu 1 , William P. Huhn 1 , Volker Blum 1 , David B. Mitzi 1
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Chalcogenides such as CdTe, Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe), and Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) have enabled remarkable advances in thin-film photovoltaic performance, but concerns remain regarding (i) the toxicity (CdTe) and (ii) scarcity (CIGSSe/CdTe) of the constituent elements and (iii) the unavoidable antisite disordering that limits further efficiency improvement (CZTSSe). In this work, we show that a different materials class, the BaCu2SnSexS4–x (BCTSSe) system, offers a prospective path to circumvent difficulties (i–iii) and to target new environmentally friendly and earth-abundant absorbers. Antisite disordering and associated band tailing are discouraged in BCTSSe due to the distinct coordination environment of the large Ba2+ cation. Indeed, an abrupt absorption edge and sharp associated photoluminescence emission demonstrate a reduced impact of band tailing in BCTSSe relative to CZTSSe. Our combined experimental and computational studies of BCTSSe reveal that the compositions 0 ≤ x ≤ 4 exhibit a tunable nearly direct or direct bandgap in the 1.6–2 eV range, spanning relevant values for single- or multiple-junction photovoltaic applications. For the first time, a prototype BaCu2SnS4-based thin-film solar cell has been successfully demonstrated, yielding a power conversion efficiency of 1.6% (0.42 cm2 total area). The systematic experimental and theoretical investigations, combined with proof-of-principle device results, suggest promise for BaCu2SnSexS4–x as a thin-film solar cell absorber.
中文翻译：
BaCu 2 Sn（S，Se）4：用于薄膜光伏的富含地球的硫族化物
诸如CdTe，Cu（In，Ga）（S，Se）2（CIGSSe）和Cu 2 ZnSn（S，Se）4（CZTSSe）的硫族化物已使薄膜光伏性能取得了显着进步，但仍然存在以下担忧： i）构成元素的毒性（CdTe）和（ii）稀缺性（CIGSSe / CdTe），以及（iii）不可避免的抗位点紊乱，限制了进一步的效率改善（CZTSSe）。在这项工作中，我们证明了不同的材料类别，BaCu 2 SnSe x S 4– x（BCTSSe）系统，为规避困难（i–iii）以及针对新型环保且富含地球的吸收剂提供了一条可能的途径。由于大的Ba 2+阳离子具有独特的配位环境，因此在BCTSSe中不建议使用抗位错和相关的谱带拖尾。实际上，相对于CZTSSe，突变的吸收边缘和尖锐的相关光致发光发射表明BCTSSe中的带拖尾效应降低了。BCTSSe的我们的联合的实验和计算研究表明，该组合物0≤ X ≤4表现出的可调谐几乎直接或直接带隙在1.6-2电子伏特范围内，对于跨越的单个或多个结光伏应用相关的值。BaCu 2 SnS 4原型首次出现硅基薄膜太阳能电池已被成功证明，其功率转换效率为1.6％（总面积0.42 cm 2）。系统的实验和理论研究，再加上原理验证的器件结果，表明了将BaCu 2 SnSe x S 4– x用作薄膜太阳能电池吸收剂的希望。
更新日期：2016-06-27
中文翻译：
BaCu 2 Sn（S，Se）4：用于薄膜光伏的富含地球的硫族化物
诸如CdTe，Cu（In，Ga）（S，Se）2（CIGSSe）和Cu 2 ZnSn（S，Se）4（CZTSSe）的硫族化物已使薄膜光伏性能取得了显着进步，但仍然存在以下担忧： i）构成元素的毒性（CdTe）和（ii）稀缺性（CIGSSe / CdTe），以及（iii）不可避免的抗位点紊乱，限制了进一步的效率改善（CZTSSe）。在这项工作中，我们证明了不同的材料类别，BaCu 2 SnSe x S 4– x（BCTSSe）系统，为规避困难（i–iii）以及针对新型环保且富含地球的吸收剂提供了一条可能的途径。由于大的Ba 2+阳离子具有独特的配位环境，因此在BCTSSe中不建议使用抗位错和相关的谱带拖尾。实际上，相对于CZTSSe，突变的吸收边缘和尖锐的相关光致发光发射表明BCTSSe中的带拖尾效应降低了。BCTSSe的我们的联合的实验和计算研究表明，该组合物0≤ X ≤4表现出的可调谐几乎直接或直接带隙在1.6-2电子伏特范围内，对于跨越的单个或多个结光伏应用相关的值。BaCu 2 SnS 4原型首次出现硅基薄膜太阳能电池已被成功证明，其功率转换效率为1.6％（总面积0.42 cm 2）。系统的实验和理论研究，再加上原理验证的器件结果，表明了将BaCu 2 SnSe x S 4– x用作薄膜太阳能电池吸收剂的希望。
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