Point defect engineering in thin-film solar cells

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作者
Ji Sang Park,Sunghyun Kim,Zijuan Xie,Aron Walsh
出处
期刊:Nature Reviews Materials [Nature Portfolio]
卷期号:3 (7): 194-210 被引量:397
标识
DOI:10.1038/s41578-018-0026-7
摘要

Control of defect processes in photovoltaic materials is essential for realizing high-efficiency solar cells and related optoelectronic devices. Native defects and extrinsic dopants tune the Fermi level and enable semiconducting p–n junctions; however, fundamental limits to doping exist in many compounds. Optical transitions from defect states can enhance photocurrent generation through sub-bandgap absorption; however, these defect states are also often responsible for carrier trapping and non-radiative recombination events that limit the voltage in operating solar cells. Many classes of materials, including metal oxides, chalcogenides and halides, are being examined for next-generation solar energy applications, and each technology faces distinct challenges that could benefit from point defect engineering. Here, we review the evolution in the understanding of point defect behaviour from Si-based photovoltaics to thin-film CdTe and Cu(In,Ga)Se2 technologies, through to the latest generation of halide perovskite (CH3NH3PbI3) and kesterite (Cu2ZnSnS4) devices. We focus on the chemical bonding that underpins the defect chemistry and the atomistic processes associated with the photophysics of charge-carrier generation, trapping and recombination in solar cells. Finally, we outline general principles to enable defect control in complex semiconducting materials. Point defects have a key role in determining the performance of photovoltaic materials. In this Review, we assess defect processes in a range of photovoltaic materials and outline how point defect engineering could be used to improve the efficiency of solar cells.
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