Using density functional theory, we calculated the electronic structure, the lattice dynamics, and the Raman spectra of Cu2ZnSn(S1−xSex)4, (CZTSSe) an emerging photovoltaic material for thin-film solar cells. In particular, we investigated the effects of the local arrangement of S and Se within the unit cell on the electronic properties of these materials. We find that the S-to-Se ratio (e.g., x) and the spatial distribution of the anions in the unit cell can significantly alter the band structure. In particular, the S-to-Se ratio and anion distribution determine the energy splitting between the electronic states at the top of the valence band and the hole mobility in CZTSSe alloys and solar cells. Moreover, we find that x-ray diffraction patterns and phonon dispersion curves are sensitive to the local anion ordering. The predicted Raman scattering frequencies and their variation with x agree with experimentally determined values and trends.

1.
C. A.
Wolden
,
J.
Kurtin
,
J. B.
Baxter
,
I.
Repins
,
S. E.
Shaheen
,
J. T.
Torvik
,
A. A.
Rockett
,
V. M.
Fthenakis
, and
E. S.
Aydil
,
J. Vac. Sci. Technol. A
29
,
030801
(
2011
).
2.
D. B.
Mitzi
,
O.
Gunawan
,
T. K.
Todorov
,
K.
Wang
, and
S.
Guha
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
95
,
1421
(
2011
).
3.
H.
Katagiri
,
K.
Jimbo
,
W. S.
Maw
,
K.
Oishi
,
M.
Yamazaki
,
H.
Araki
, and
A.
Takeuchi
,
Thin Solid Films
517
,
2455
(
2009
).
4.
W.
Shockley
and
H. J.
Queisser
,
J. Appl. Phys.
32
,
510
(
1961
).
5.
T. K.
Todorov
,
K. B.
Reuter
, and
D. B.
Mitzi
,
Adv. Mater.
22
,
E156
(
2010
).
6.
Q.
Guo
,
G. M.
Ford
,
W.
Yang
,
B. C.
Walker
,
E. A.
Stach
,
H. W.
Hillhouse
, and
R.
Agrawal
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
17384
(
2010
).
7.
Y.
Wang
and
H.
Gong
,
J. Electrochem. Soc.
158
,
H800
(
2011
).
8.
K.
Moriya
,
K.
Tanaka
, and
H.
Uchiki
,
Jpn. J. Appl. Phys.
46
,
5780
(
2007
).
9.
K.
Jimbo
,
R.
Kimura
,
T.
Kamimura
,
S.
Yamada
,
W. S.
Maw
,
H.
Araki
,
K.
Oishi
, and
H.
Katagiri
,
Thin Solid Films
515
,
5997
(
2007
).
10.
K.
Wang
,
O.
Gunawan
,
T.
Todorov
,
B.
Shin
,
S. J.
Chey
,
N. A.
Bojarczuk
,
D.
Mitzi
, and
S.
Guha
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
143508
(
2010
).
11.
H.
Araki
,
A.
Mikaduki
,
Y.
Kubo
,
T.
Sato
,
K.
Jimbo
,
W. S.
Maw
,
H.
Katagiri
,
M.
Yamazaki
,
K.
Oishi
, and
A.
Takeuchi
,
Thin Solid Films
517
,
1457
(
2008
).
12.
Q.
Guo
,
H. W.
Hillhouse
, and
R.
Agrawal
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
11672
(
2009
).
13.
C.
Steinhagen
,
M. G.
Panthani
,
V.
Akhavan
,
B.
Goodfellow
,
B.
Koo
, and
B. A.
Korgel
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
12554
(
2009
).
14.
A.
Khare
,
A. W.
Wills
,
L. M.
Ammerman
,
D. J.
Norris
, and
E. S.
Aydil
,
Chem. Commun.
47
,
11721
(
2011
).
15.
V. G.
Rajeshmon
,
C. S.
Kartha
,
K. P.
Vijayakumar
,
C.
Sanjeeviraja
,
T.
Abe
, and
Y.
Kashiwaba
,
Solar Energy
85
,
249
(
2011
).
16.
W.
Ki
and
H. W.
Hillhouse
,
Adv. Energy Mater.
1
,
732
(
2011
).
17.
A.
Ennaoui
,
M.
Lux-Steiner
,
A.
Weber
,
D.
Abou-Ras
,
I.
Koetschau
,
H. W.
Schock
,
R.
Schurr
,
A.
Hoelzing
,
S.
Jost
,
R.
Hock
,
T.
Voss
,
J.
Schulze
, and
A.
Kirbs
,
Thin Solid Films
517
,
2511
(
2009
).
18.
D. A. R.
Barkhouse
,
O.
Gunawan
,
T.
Gokmen
,
T. K.
Todorov
, and
D. B.
Mitzi
,
Prog. Photovolt: Res. Appl.
20
,
6
(
2012
).
19.
S.
Chen
,
X. G.
Gong
,
A.
Walsh
, and
S.
Wei
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
041903
(
2009
).
20.
A.
Khare
,
B.
Himmetoglu
,
M.
Johnson
,
D. J.
Norris
,
M.
Cococcioni
, and
E. S.
Aydil
,
J. Appl. Phys.
111
,
083707
(
2012
).
21.
C.
Persson
,
J. Appl. Phys.
107
,
053710
(
2010
).
22.
A. J.
Cheng
,
M.
Manno
,
A.
Khare
,
C.
Leighton
,
S. A.
Campbell
, and
E. S.
Aydil
,
J. Vac. Sci. Technol. A
29
,
051203
(
2011
).
23.
P. A.
Fernandes
,
P. M. P.
Salome
, and
A. F.
da Cunha
,
Thin Solid Films
517
(
7
),
2519
(
2009
).
24.
S.
Chen
,
J.
Yang
,
X. G.
Gong
,
A.
Walsh
, and
S.
Wei
,
Phys. Rev. B
81
(
24
),
245204
(
2010
).
25.
J.
Paier
,
R.
Asahi
,
A.
Nagoya
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
79
,
115126
(
2009
).
26.
A.
Nagoya
,
R.
Asahi
,
R.
Wahl
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
81
,
113202
(
2010
).
27.
N. B. M.
Amiri
and
A.
Postnikov
,
Phys. Rev. B
82
,
205204
(
2010
).
28.
S.
Chen
,
A.
Walsh
,
J.
Yang
,
X. G.
Gong
,
L.
Sun
,
P.
Yang
,
J.
Chu
, and
S.
Wei
,
Phys. Rev. B
83
,
125201
(
2011
).
29.
T.
Gurel
,
C.
Sevik
, and
T.
Cagin
,
Phys. Rev. B
84
,
205201
(
2011
).
30.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
).
31.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
32.
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
41
,
7892
(
1990
).
33.
P.
Giannozzi
,
S.
Baroni
,
N.
Bonini
,
M.
Calandra
,
R.
Car
,
C.
Cavazzoni
,
D.
Ceresoli
,
G. L.
Chiarotti
,
M.
Cococcioni
,
I.
Dabo
,
A. D.
Corso
,
S. D.
Gironcoli
,
S.
Fabris
,
G.
Fratesi
,
R.
Gebauer
,
U.
Gerstmann
,
C.
Gougoussis
,
A.
Kokalj
,
M.
Lazzeri
,
L.
Martin-Samos
,
N.
Marzari
,
F.
Mauri
,
R.
Mazzarello
,
S.
Paolini
,
A.
Pasquarello
,
L.
Paulatto
,
C.
Sbraccia
,
S.
Scandolo
,
G.
Sclauzero
,
A. P.
Seitsonen
,
A.
Smogunov
,
P.
Umari
, and
R. M.
Wentzcovitch
,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
34.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
35.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
36.
S.
Baroni
,
S.
de Gironcoli
,
A.
Dal Corso
, and
P.
Giannozzi
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
515
(
2001
).
37.
J.
He
,
L.
Sun
,
S.
Chen
,
Y.
Chen
,
P.
Yang
, and
J.
Chu
,
J. Alloys Compounds
511
,
129
(
2012
).
38.
A.
Seidl
,
A.
Gorling
,
P.
Vogl
,
J. A.
Majewski
, and
M.
Levy
,
Phys. Rev. B
53
,
3764
(
1996
).
39.
L.
Vegard
,
Zeitschrift Für Physik A Hadrons and Nuclei
5
,
17
(
1921
).
40.
M. I.
Aroyo
,
J.
Perez-Mato
,
C.
Capillas
,
E.
Kroumova
,
S.
Ivantchev
,
G.
Madariaga
,
A.
Kirov
, and
H.
Wondratschek
,
Z. Kristallogr.
221
,
15
(
2006
).
41.
P. K.
Sarswat
,
M. L.
Free
, and
A.
Tiwari
,
Phys. Status Solidi (b)
248
,
2170
(
2011
).
42.
M.
Himmrich
and
H.
Haeuseler
,
Spectrochim. Acta
47
,
933
(
1991
).
43.
M.
Grossberg
,
J.
Krustok
,
J.
Raudoja
,
K.
Timmo
,
M.
Altosaar
, and
T.
Raadik
,
Thin Solid Films
519
,
7403
(
2011
).
You do not currently have access to this content.