Band Alignments, Valence Bands, and Core Levels in the Tin Sulfides SnS, SnS2, and Sn2S3: Experiment and Theory

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作者
Thomas J. Whittles,Lee A. Burton,Jonathan M. Skelton,Aron Walsh,T. D. Veal,V.R. Dhanak
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:28 (11): 3718-3726 被引量:231
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.6b00397
摘要

Tin sulfide solar cells show relatively poor efficiencies despite attractive photovoltaic properties, and there is difficulty in identifying separate phases, which are also known to form during Cu 2 ZnSnS 4 depositions. We present X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and inverse photoemission spectroscopy measurements of single crystal SnS, SnS 2, and Sn 2 S 3, with electronic-structure calculations from density functional theory (DFT). Differences in the XPS spectra of the three phases, including a large 0.9 eV shift between the 3d 5/2 peak for SnS and SnS 2, make this technique useful when identifying phase-pure or mixed-phase systems. Comparison of the valence band spectra from XPS and DFT reveals extra states at the top of the valence bands of SnS and Sn 2 S 3, arising from the hybridization of lone pair electrons in Sn(II), which are not present for Sn(IV), as found in SnS 2 . This results in relatively low ionization potentials for SnS (4.71 eV) and Sn 2 S 3 (4.66 eV), giving a more comprehensive explanation as to the origin of the poor efficiencies. We also demonstrate, by means of a band alignment, the large band offsets of SnS and Sn 2 S 3 from other photovoltaic materials and highlight the detrimental effect on cell performance of secondary tin sulfide phase formation in SnS and CZTS films.
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