With the aim of exploring oxidation and selenization of the photovoltaic material Cu2ZnSnS4, we used first principles methods to study the structure and stability of Cu2ZnSnSxO4−x and Cu2ZnSnSxSe4−x alloys for 0 ≤ x ≤ 4. Pure Cu2ZnSnO4 was found to have the lowest heat of formation, followed by Cu2ZnSnS4, and finally Cu2ZnSnSe4. This suggests that oxidization is very likely to occur, whereas selenization can only be accomplished under high temperature. For the alloys, the energetically favorable chalcogen configurations are very different for oxygen and selenium. While the energies of the selenium alloys are insensitive to the distribution of S and Se configurations, the lowest energy oxygen alloys have alternating S and O sites in the a–b planes. In considering the heats of formation of the Cu2ZnSnSxO4−x alloys, we find that they are unstable with respect to decomposition into binary oxides and sulfides except for small concentrations of O. Our results also show that it is energetically more favorable to sulfurize Cu2ZnSnSe4 than to selenize Cu2ZnSnS4.

1.
Y.
Cao
,
M. S.
Denny
,
J. V.
Caspar
,
W. E.
Farneth
,
Q.
Guo
,
A. S.
Ionkin
,
L. K.
Johnson
,
M.
Lu
,
I.
Malajovich
,
D.
Radu
,
H. D.
Rosenfeld
,
K. R.
Choudhury
, and
W.
Wu
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
15644
(
2012
).
2.
Q.
Guo
,
H.
Hillhouse
, and
R.
Agrawal
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
11672
(
2009
).
3.
W.
Ki
and
H. W.
Hillhouse
,
Adv. Energy Mater.
1
,
732
(
2011
).
4.
A.
Shavel
,
D.
Cadavid
,
M.
Ibáñez
,
A.
Carrete
, and
A.
Cabot
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
1438
(
2012
).
5.
B.
Shin
,
O.
Gunawan
,
Z.
Yu
,
N. A.
Bajarzuk
,
S. J.
Chey
, and
S.
Guha
,
Prog. Photovoltaics: Res. Appl.
21
,
72
(
2013
).
6.
G.
Brammertz
,
M.
Buffière
,
S.
Oueslati
,
H.
ElAnzeery
,
K. B.
Messaoud
,
S.
Sahayaraj
,
C.
Köble
,
M.
Meuris
, and
J.
Poortmans
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
163904
(
2013
).
7.
W.
Shockley
and
H. J.
Queisser
,
J. Appl. Phys.
32
,
510
(
1961
).
8.
W.
Wang
,
M. T.
Winkler
,
O.
Gunawan
,
T.
Gokmen
,
T. K.
Todorov
,
Y.
Zhu
, and
D. B.
Mitzi
,
Adv. Energy Mater.
4
,
1301465
(
2014
).
9.
T. K.
Todorov
,
J.
Tang
,
S.
Bag
,
O.
Gunawan
,
T.
Gokmen
,
Y.
Zhu
, and
D. B.
Mitzi
,
Adv. Energy Mater.
3
,
34
(
2013
).
10.
S. C.
Riha
,
B. A.
Parkinson
, and
A. L.
Prieto
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
15272
(
2011
).
11.
A.
Singh
,
S.
Singh
,
S.
Levcenko
,
T.
Unold
,
F.
Laffir
, and
K. M.
Ryan
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
52
,
9120
(
2013
).
12.
K.
Yang
and
M.
Ichimura
,
Int. J. Photoenergy
2012
,
154704
(
2012
).
13.
T.
Washio
,
T.
Shinji
,
S.
Tajima
,
T.
Fukano
,
T.
Motohiro
,
K.
Jimbo
, and
H.
Katagiri
,
J. Mater. Chem.
22
,
4021
(
2012
).
14.
C.
Tablero
,
Thin Solid Films
520
,
5011
(
2012
).
15.
J.
Paier
,
R.
Asahi
,
A.
Nagoya
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
79
,
115126
(
2009
).
16.
S.
Chen
,
X. G.
Gong
,
A.
Walsh
, and
S.-H.
Wei
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
041903
(
2009
).
17.
S.
Chen
,
A.
Walsh
,
Y.
Luo
,
J.-H.
Yang
,
X. G.
Gong
, and
S.-H.
Wei
,
Phys. Rev. B
82
,
195203
(
2010
).
18.
S.
Chen
,
J.-H.
Yang
,
X. G.
Gong
,
A.
Walsh
, and
S.-H.
Wei
,
Phys. Rev. B
81
,
245204
(
2010
).
19.
C.
Persson
,
J. Appl. Phys.
107
,
053710
(
2010
).
20.
T.
Gürel
,
C.
Sevik
, and
T.
Çağín
,
Phys. Rev. B
84
,
205201
(
2011
).
21.
T.
Maeda
,
S.
Nakamura
, and
T.
Wada
,
Jpn. J. Appl. Phys.
50
,
04DP07
(
2011
).
22.
A.
Singh
,
H.
Geaney
,
F.
Laffir
, and
K. M.
Ryan
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
2910
(
2012
).
23.
H.-R.
Liu
,
S.
Chen
,
Y.-T.
Zhai
,
H. J.
Xiang
,
X. G.
Gong
, and
S.-H.
Wei
,
J. Appl. Phys.
112
,
093717
(
2012
).
24.
A.
Khare
,
B.
Himmetoglu
,
M.
Cococcioni
, and
E. S.
Aydil
,
J. Appl. Phys.
111
,
123704
(
2012
).
25.
I.
Camps
,
J.
Coutinho
,
M.
Mir
,
A. F. D.
Cunha
,
M. J.
Rayson
, and
P. R.
Briddon
,
Semicond. Sci. Technol.
27
,
115001
(
2012
).
26.
A.
Walsh
,
S.
Chen
,
S.-H.
Wei
, and
X.-G.
Gong
,
Adv. Energy Mater.
2
,
400
(
2012
).
27.
L.
Burton
and
A.
Walsh
,
J. Phys. Chem. C
116
,
24262
(
2012
).
28.
S.
Chen
,
A.
Walsh
,
X.-G.
Gong
, and
S.-H.
Wei
,
Adv. Mater.
25
,
1522
(
2013
).
29.
T.
Oliveira
,
J.
Coutinho
, and
V.
Torres
,
Thin Solid Films
535
,
311
(
2013
).
30.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
).
31.
W.
Kohn
and
L.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
32.
J.
Perdew
and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. B
45
,
13244
(
1992
).
33.
P.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
34.
P.
Giannozzi
 et al,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
35.
X.
Gonze
,
B.
Amadon
,
P. M.
Anglade
,
J. M.
Beuken
,
F.
Bottin
,
P.
Boulanger
,
F.
Bruneval
,
D.
Caliste
,
R.
Caracas
,
M.
Cote
,
T.
Deutsch
,
L.
Genovese
,
P.
Ghosez
,
M.
Giantomassi
,
S.
Goedecker
,
D. R.
Hamann
,
P.
Hermet
,
F.
Jollet
,
G.
Jomard
,
S.
Leroux
,
M.
Mancini
,
S.
Mazevet
,
M. J. T.
Oliveira
,
G.
Onida
,
Y.
Pouillon
,
T.
Rangel
,
G. M.
Rignanese
,
D.
Sangalli
,
R.
Shaltaf
,
M.
Torrent
,
M. J.
Verstraete
,
G.
Zerah
, and
J. W.
Zwanziger
,
Comput. Phys. Commun.
180
,
2582
(
2009
).
36.
N. A. W.
Holzwarth
,
A. R.
Tackett
, and
G. E.
Matthews
,
Comput. Phys. Commun.
135
,
329
(
2001
).
37.
A.
Kokalj
,
J. Mol. Graphics Modell.
17
,
176
(
1999
).
38.
K.
Momma
and
F.
Izumi
,
Appl. Crystallogr.
44
,
1272
(
2011
).
39.
S.
Levcenko
,
V. E.
Tezlevan
,
E.
Arushanov
,
S.
Schorr
, and
T.
Unold
,
Phys. Rev. B
86
,
045206
(
2012
).
40.
X.
Chen
,
H.
Wada
,
A.
Sato
, and
M.
Mieno
,
J. Solid State Chem.
139
,
144
(
1998
).
41.
I.
Olekseyuk
,
L.
Gulay
,
I.
Dydchak
,
L.
Piskach
,
O.
Parasyuk
, and
O.
Marchuk
,
J. Alloys Compd.
340
,
141
(
2002
).
42.
K.
Lisunov
,
M.
Guk
,
A.
Nateprov
,
S.
Levcenko
,
V.
Tezlevan
, and
E.
Arushanov
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
112
,
127
(
2013
).
43.
G.
Zoppi
,
I.
Forbes
,
R.
Miles
,
P.
Data
,
J.
Scragg
, and
L.
Peter
,
Prog. Photovoltaics: Res. Appl.
17
,
315
(
2009
).
44.
S. R.
Hall
,
J. T.
Szymanski
, and
J. M.
Stewart
,
Can. Mineral.
16
,
131
(
1978
), http://rruff.geo.arizona.edu/AMS/minerals/Stannite.
45.
In
International Tables for Crystallography, Volume A: Space-Group Symmetry
, 5th revised ed., edited by
T.
Hahn
(
Kluwer
,
2002
).
46.
L.
Choubrac
,
M.
Paris
,
A.
Lafond
,
C.
Guillot-Deudon
,
X.
Rocquefelte
, and
S.
Jobic
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
10722
(
2013
).
47.
A.
Redinger
,
D. M.
Berg
,
P. J.
Dale
, and
S.
Siebentritt
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
3320
(
2011
).
48.
A.
Nagaoka
,
K.
Yoshino
,
H.
Taniguchi
,
T.
Taniyama
, and
H.
Miyake
,
J. Cryst. Growth
354
,
147
(
2012
).
49.
E.
Engel
and
S. H.
Vosko
,
Phys. Rev. B
47
,
13164
(
1993
).
50.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
), Erratum—ibid.78, 1396 (1997).
51.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
118
,
8207
(
2003
).
52.
S.
Botti
,
D.
Kammerlander
, and
M. A. L.
Marques
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
241915
(
2011
).
53.
In
CRC Handbook of Chemistry and Physics
, 92th ed., edited by
W. M.
Haynes
(
CRC Press, Taylor & Francis Group
,
2011
).
54.
M. W.
Chase
, Jr.
,
C. A.
Davies
,
J. R.
Downey
, Jr.
,
D. J.
Frurip
,
R. A.
McDonald
, and
A. N.
Syverud
,
NIST JANAF Thermochemical Tables 1985
(
1986
), available online: http://kinetic.nist.gov/janaf.
55.
O.
Kubaschewski
,
C. B.
Alcock
, and
P. J.
Spencer
,
Materials Thermochemistry
, 6th ed. (
Pergamon Press
,
New York
,
1993
).
56.
L.
Wang
,
T.
Maxisch
, and
G.
Ceder
,
Phys. Rev. B
73
,
195107
(
2006
).
57.
N. D.
Lepley
,
N. A. W.
Holzwarth
, and
Y. A.
Du
,
Phys. Rev. B
88
,
104103
(
2013
).
58.
S.
Schorr
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
95
,
1482
(
2011
).
59.
A.
Belsky
,
M.
Hellenbrandt
,
V. L.
Karen
, and
P.
Luksch
,
Acta Crystallogr. B
58
,
364
(
2002
).
60.
V.
Stevanović
,
S.
Lany
,
X.
Zhang
, and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
85
,
115104
(
2012
).
61.
H.
Fjellvåg
,
F.
Grønvold
,
S.
Stølen
,
A. F.
Andresen
,
R.
Müller-Käfer
, and
A.
Simon
,
Z. Kristallogr.
184
,
111
121
(
1988
).
62.
P.
Lukashev
,
W.
Lambrecht
,
T.
Kotani
, and
M.
van Schilfgaarde
,
Phys. Rev. B
76
,
195202
(
2007
).
63.
S.
Schorr
,
A.
Weber
,
V.
Honkimäki
, and
H.-W.
Schock
,
Thin Solid Films
517
,
2461
(
2009
).
64.
H.
Yoo
and
J.
Kim
,
Thin Solid Films
518
,
6567
(
2010
).
65.
A.
Nagoya
,
R.
Asahi
,
R.
Wahl
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
81
,
113202
(
2010
).
66.
S.
Deka
,
A.
Genovese
,
Y.
Zhang
,
K.
Miszta
,
G.
Bertoni
,
R.
Krahne
,
C.
Giannini
, and
L.
Manna
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
8912
(
2010
).
67.
R.
Grau-Crespo
,
S.
Hamad
,
C. R. A.
Catlow
, and
N. H.
de Leeuw
,
J. Phys.: Condens. Matter
19
,
256201
(
2007
).
68.
J.
He
,
L.
Sun
,
N.
Ding
,
H.
Kong
,
S.
Zuo
,
S.
Chen
,
Y.
Chen
,
P.
Yang
, and
J.
Chu
,
J. Alloys Compd.
529
,
34
(
2012
).
69.
S.
Levcenco
,
D.
Dumcenco
,
Y.
Wang
,
Y.
Huang
,
C.
Ho
,
E.
Arushanov
,
V.
Tezlevan
, and
K.
Tiong
,
Opt. Mater.
34
,
1362
(
2012
).
70.
Q.
Guo
,
G. M.
Ford
,
W.-C.
Yang
,
B. C.
Walker
,
E. A.
Stach
,
H. W.
Hillhouse
, and
R.
Agrawal
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
17384
(
2010
).
71.
R.
Schurr
,
A.
Hölzing
,
S.
Jost
,
R.
Hock
,
T.
Voss
,
J.
Schulze
,
A.
Kirbs
,
A.
Ennaoui
,
M.
Lux-Steiner
,
A.
Weber
,
I.
Kötschau
, and
H.-W.
Schock
,
Thin Solid Films
517
,
2465
(
2009
).
You do not currently have access to this content.