Design of energy band alignment at the Zn1−xMgxO/Cu(In,Ga)Se2 interface for Cd-free Cu(In,Ga)Se2 solar cells

文献情報

出版日 2012-03-01
DOI 10.1039/C2CP40355B
インパクトファクター 3.676
著者

Chang-Soo Lee, Liudmila Larina, Young-Min Shin, Essam A. Al-Ammar, Byung Tae Ahn


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要旨

The electronic band structure at the Zn1−xMgxO/Cu(In0.7Ga0.3)Se2 interface was investigated for its potential application in Cd-free Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells. Zn1−xMgxO thin films with various Mg contents were grown by atomic layer deposition on Cu(In0.7Ga0.3)Se2 absorbers, which were deposited by the co-evaporation of Cu, In, Ga, and Se elemental sources. The electron emissions from the valence band and core levels were measured by a depth profile technique using X-ray and ultraviolet photoelectron spectroscopy. The valence band maximum positions are around 3.17 eV for both Zn0.9Mg0.1O and Zn0.8Mg0.2O films, while the valence band maximum value for CIGS is 0.48 eV. As a result, the valence band offset value between the bulk Zn1−xMgxO (x = 0.1 and x = 0.2) region and the bulk CIGS region was 2.69 eV. The valence band offset value at the Zn1−xMgxO/CIGS interface was found to be 2.55 eV after considering a small band bending in the interface region. The bandgap energy of Zn1−xMgxO films increased from 3.25 to 3.76 eV as the Mg content increased from 0% to 25%. The combination of the valence band offset values and the bandgap energy of Zn1−xMgxO films results in the flat (0 eV) and cliff (−0.23 eV) conduction band alignments at the Zn0.8Mg0.2O/Cu(In0.7Ga0.3)Se2 and Zn0.9Mg0.1O/Cu(In0.7Ga0.3)Se2 interfaces, respectively. The experimental results suggest that the bandgap energy of Zn1−xMgxO films is the main factor that determines the conduction band offset at the Zn1−xMgxO/Cu(In0.7Ga0.3)Se2 interface. Based on these results, we conclude that a Zn1−xMgxO film with a relatively high bandgap energy is necessary to create a suitable conduction band offset at the Zn1−xMgxO/CIGS interface to obtain a robust heterojunction. Also, ALD Zn1−xMgxO films can be considered as a promising alternative buffer material to replace the toxic CdS for environmental safety.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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