Unveiling microscopic carrier loss mechanisms in 12% efficient Cu2ZnSnSe4 solar cells

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作者
Jianjun Li,Jialiang Huang,Fa‐Jun Ma,Heng Sun,Jialin Cong,Karen Privat,Richard F. Webster,Soshan Cheong,Yin Yao,Robert Lee Chin,Xiaojie Yuan,Mingrui He,Kaiwen Sun,Hui Li,Yaohua Mai,Ziv Hameiri,Nicholas J. Ekins‐Daukes,Richard D. Tilley,Thomas Unold,Martin A. Green
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:7 (8): 754-764 被引量:166
标识
DOI:10.1038/s41560-022-01078-7
摘要

Abstract Understanding carrier loss mechanisms at microscopic regions is imperative for the development of high-performance polycrystalline inorganic thin-film solar cells. Despite the progress achieved for kesterite, a promising environmentally benign and earth-abundant thin-film photovoltaic material, the microscopic carrier loss mechanisms and their impact on device performance remain largely unknown. Herein, we unveil these mechanisms in state-of-the-art Cu 2 ZnSnSe 4 (CZTSe) solar cells using a framework that integrates multiple microscopic and macroscopic characterizations with three-dimensional device simulations. The results indicate the CZTSe films have a relatively long intragrain electron lifetime of 10–30 ns and small recombination losses through bandgap and/or electrostatic potential fluctuations. We identify that the effective minority carrier lifetime of CZTSe is dominated by a large grain boundary recombination velocity (~10 4 cm s −1 ), which is the major limiting factor of present device performance. These findings and the framework can greatly advance the research of kesterite and other emerging photovoltaic materials.
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