Recent progress and challenges in CIGS and CZTS  thin film photovoltaic technologies. Review

Editorial Board PCSS Journal; Р.С. Яворський; М.В. Криховецький

doi:10.15330/pcss.27.1.118-134

Автор(и)

Р.С. Яворський Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна
М.В. Криховецький Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.1.118-134

Ключові слова:

CIGS, CZTS(Se), тонкоплівкові сонячні елементи, фотоелектричні системи, абсорбційні матеріали, інженерія забороненої зони, пасивація дефектів, відновлювана енергія, підвищення ефективності, стійкі технології

Анотація

У цій оглядовій статті подано комплексний аналіз сучасного стану, досягнень і ключових викликів розвитку тонкоплівкових сонячних елементів на основі поглинальних матеріалів Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) та Cu₂ZnSn(S,Se)₄ (CZTS(Se)). Дослідження акцентує увагу на глобальному переході до відновлюваних джерел енергії та підкреслює переваги тонкоплівкових фотоелектричних технологій як економічно ефективної, матеріалоощадної та гнучкої альтернативи традиційним кремнієвим сонячним елементам. Пристрої на основі CIGS демонструють високі коефіцієнти перетворення потужності, що перевищують 23 %, широкий діапазон регулювання ширини забороненої зони та відмінну довготривалу стабільність, що робить їх одними з найбільш технологічно зрілих тонкоплівкових рішень. Водночас залежність від дефіцитних і дорогих елементів, зокрема індію та галію, стимулює активний пошук альтернативних матеріалів на основі хімічно доступних елементів. Матеріали CZTS(Se), до складу яких входять нетоксичні та поширені елементи (Cu, Zn, Sn, S, Se), розглядаються як перспективна й екологічно сталá заміна, що характеризується порівнянними оптичними властивостями та регульованою шириною забороненої зони в діапазоні 1,0–1,5 еВ. Незважаючи на нижчі значення ефективності (на сьогодні — до 15,8 %), постійний прогрес у контролі фазової чистоти, пасивації дефектів і оптимізації зонного вирівнювання сприяє швидкому покращенню характеристик приладів. Основні напрями подальших досліджень охоплюють оптимізацію методів синтезу поглинального шару, інженерію дефектів, легування лужними металами та катіонами, а також розробку екологічно безпечних безкадмієвих архітектур сонячних елементів. У статті узагальнено рівень технологічної зрілості CIGS і потенціал розвитку CZTS(Se), окреслено критичні проблеми та можливі шляхи створення високоефективних і сталих тонкоплівкових фотоелектричних систем.

Посилання

I. Boerasu, B.S. Vasile, Current status of the open-circuit voltage of kesterite CZTS absorber layers for photovoltaic applications—Part I, a review, Materials, 15(23), 8427 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15238427.

M.D.K. Jones et al., Ecodesign of kesterite nanoparticles for thin film photovoltaics, ACS Sustain. Chem. Eng. (2024); https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c02841.

S. Samadi, A review of factors influencing the cost development of electricity generation technologies, Energies 9(11), 970 (2016); https://doi.org/10.3390/en9110970.

C. Ballif et al., Status and perspectives of crystalline silicon photovoltaics in research and industry, Nat. Rev. Mater. 7(8), 597 (2022); https://doi.org/10.1038/s41578-022-00423-2.

K. ElKhamisy, H. Abdelhamid, E.S.M. El-Rabaie, N. Abdel-Salam, A comprehensive survey of silicon thin-film solar cell: challenges and novel trends, Plasmonics, 19(1), 1 (2024); https://doi.org/10.1007/s11468-023-02047-4.

F.M. Tseng, C.H. Hsieh, Y.N. Peng, Y.W. Chu, Using patent data to analyze trends and the technological strategies of the amorphous silicon thin-film solar cell industry, Technol. Forecast. Soc. Change, 78(2), 332 (2011); https://doi.org/10.1016/j.techfore.2010.06.007.

K.P. Bhandari et al., Energy payback time and energy return on energy invested of solar photovoltaic systems, Renew. Sustain. Energy Rev. 47, 133 (2015); https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.02.057.

I.V. Vakaliuk, R.S. Yavorskyi, B.P. Naidych, L.I. Nykyruy, L.O. Katanova, O.V. Zamuruieva, Optical Properties of CdTe: In Thin Films Deposited by PVD Technique, J. Nano- Electron. Phys. (2023) 15 (5), 05023 https://doi.org/10.21272/jnep.15(5).05023

A. Faes et al., Building-integrated photovoltaics, Nat. Rev. Clean Technol. (2025).

R. Yavorskyi et al., Structural and optical properties of cadmium telluride obtained by physical vapor deposition technique, Appl. Nanosci. 9(5), 715 (2019); https://doi.org/10.1007/s13204-018-0872-z.

L. Nykyruy et al., CdTe vapor phase condensates on (100) Si and glass for solar cells, Proc. IEEE NAP (2017); https://doi.org/10.1109/NAP.2017.8190161.

S. Malik, Preparation of CuInSe₂ and CuInGaSe₂ nanoparticles and thin films for solar cells applications, PhD Thesis, Univ. of Manchester (2010).

S. Wiedeman et al., Manufacturing ramp-up of flexible CIGS PV, Proc. IEEE PVSC 35, 3485 (2010). https://doi.org/10.1109/PVSC.2010.5614725.

P. Reinhard, S. Buecheler, A.N. Tiwari, Technological status of Cu(In,Ga)(Se,S)₂-based photovoltaics, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 119, 287 (2013); https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.08.030.

K. Machkih et al., A review of CIGS thin film semiconductor deposition via sputtering and thermal evaporation, Coatings, 14, 1088 (2024); https://doi.org/10.3390/coatings14091088.

T. Ghorbani et al., Influence of affinity, band gap and ambient temperature on the efficiency of CIGS solar cells, Optik, 223, 165541 (2020); https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165541.

B. Salhi, The photovoltaic cell based on CIGS: principles and technologies, Materials, 15(5), 1908 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15051908.

F. Mesa et al., Study of electrical properties of CIGS thin films prepared by multistage processes, Thin Solid Films, 518(7), 1764 (2010); https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.07.161.

W. Witte et al., Gallium gradients in Cu(In,Ga)Se₂ thin-film solar cells, Prog. Photovolt. 23(6), 717 (2015); https://doi.org/10.1002/pip.2478.

N.G. Dhere, Present status and future prospects of CIGSS thin film solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 90(15), 2181 (2006); https://doi.org/10.1016/j.solmat.2006.02.018.

A. Romeo et al., Development of thin-film Cu(In, Ga)Se2 and CdTe solar cells, Prog. Photovolt. 12(2-3), 93 (2004); https://doi.org/10.1002/pip.527.

S. Sakthinathan et al., A review of thin-film growth, properties, applications, and future prospects, Processes 13(2), 587 (2025); https://doi.org/10.3390/pr13020587.

U.C. Matur et al., Optical properties of CIGS thin films derived by sol-gel dip coating, Procedia Soc. Behav. Sci. 195, 1762 (2015); https://doi.org/10.1016/j.sbspro.2015.06.252.

G.G. Buyukgoz et al., Impact of mixing on content uniformity of thin polymer films, Pharmaceutics, 13(6), 812 (2021); https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13060812.

M. Singh et al., Thin-film CIGS solar cell based on low-temperature all-printing process, ACS Appl. Mater. Interfaces, 6(18), 16297 (2014); https://doi.org/10.1021/am503689n.

S. Binetti et al., Fabricating CIGS solar cells on flexible substrates by roll-to-roll deposition, Semicond. Sci. Technol. 30(10), 105006 (2015); https://doi.org/10.1088/0268-1242/30/10/105006.

F. Kessler, D. Rudmann, Technological aspects of flexible CIGS solar cells, Sol. Energy, 77(6), 685 (2004); https://doi.org/10.1016/j.solener.2004.05.008.

I. Repins et al., 19.9%-efficient ZnO/CdS/CuInGaSe₂ solar cell, Prog. Photovolt. 16, 235 (2008); https://doi.org/10.1002/pip.822.

A.N. Tiwari et al., 12.8% efficiency Cu(In,Ga)Se₂ solar cell on flexible polymer sheet, Prog. Photovolt. 7(5) (1999); https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-159X(199909/10)7:5<393:AID-PIP265>3.0.CO;2-B.

F.S. Hasoon, H.A. Al-Thani, MoSe₂ formation at Mo/CIGS interface, Proc. IEEE PVSC (2016); https://doi.org/10.1109/PVSC.2016.7749882.

A.S. Najm et al., Nucleation and growth mechanism of CdS thin films by CBD, Sci. Rep. 12, 15295 (2022);. https://doi.org/10.1038/s41598-022-19478-3.

R.S. Yavorskyi, Features of optical properties of high stable CdTe photovoltaic absorber layer, Physics and Chemistry of Solid State 21 (2) (2020): 243-253. https://doi.org/10.15330/pcss.21.2.243-253

G. Brammertz et al., Recombination mechanisms in CIGS solar cells, ACS Appl. Mater. Interfaces 17, 46998 (2025); https://doi.org/10.1021/acsami.5c05678.

J. Keller et al., High-concentration silver alloying enabling 23.6% CIGS solar cell, Nat. Energy, 9(4), 467 (2024); https://doi.org/10.1038/s41560-024-01421-3.

E.H. Gorji, Fabrication, electrical characterization and simulation of thin film solar cells, PhD Thesis (2014).

[B.J. Stanbery et al., CIGS photovoltaics: reviewing an evolving paradigm, J. Phys. D Appl. Phys. 55, 173001 (2021); https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac2b2f.

L. Dong et al., Grain-boundary passivation in CZTSSe solar cells by Na doping, Sol. RRL 7, 2300061 (2023); https://doi.org/10.1002/solr.202300061.

I. Repins et al., Required materials properties for high-efficiency CIGS modules, NREL Report (2009); https://doi.org/10.2172/956774.

M. Gloeckler, J.R. Sites, Band-gap grading in Cu(In,Ga)Se₂ solar cells, J. Phys. Chem. Solids, 66(11), 1891 (2005); https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2005.09.087.

G. Wisz et al., Structure defects and photovoltaic properties of TiO₂:ZnO/CuO solar cells, Appl. Sci. 13, 3613 (2023); https://doi.org/10.3390/app13063613.

E.H. Alruqobah, R. Agrawal, Potassium treatments for solution-processed CIGS solar cells, ACS Appl. Energy Mater. 3, 4821 (2020); https://doi.org/10.1021/acsaem.0c00418.

A.C. Badgujar et al., Atmospheric selenization of spray-casted CIGS layers, Sol. Energy, 209, 1 (2020); https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.08.080.

V. Sharma, S.S. Chandel, Performance and degradation analysis of PV systems, Renew. Sustain. Energy Rev. 27, 753 (2013); https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.07.023.

M.Y. Zaki, A. Velea, Secondary phases in kesterite CZTSSe thin films, Energies, 17(7), 1600 (2024); https://doi.org/10.3390/en17071600.

M. Kangsabanik, R.N. Gayen, Cation substitution in CZTSSe thin films, Sol. RRL 7, 2300670 (2023); https://doi.org/10.1002/solr.202300670.

M. Kumar et al., Secondary phases and defect complexes in kesterite CZTSSe, Energy Environ. Sci. 8, 3134 (2015); https://doi.org/10.1039/C5EE02153G.

M. Kumar, C. Persson, Cu₂ZnSnS₄ and Cu₂ZnSnSe₄ absorber materials, Int. J. Theor. Appl. Sci. 5, 1 (2013).

E. Lund et al., Beneficial cation arrangement in Cu-rich CZTS, J. Appl. Phys. 115, 173503 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4871665.

S. Chen et al., Intrinsic point defects in Cu₂ZnSnS₄, Phys. Rev. B 81, 245204 (2010); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.245204.

K. Sun et al., Over 9% efficient CZTS solar cell fabricated by oxide precursor route, ACS Energy Lett. 2, 1859 (2017); https://doi.org/10.1021/acsenergylett.7b00388.

K. Sun et al., Over 9% efficient CZTS solar cell using Zn₁₋ₓCdₓS buffer, Adv. Energy Mater. 6, 1600046 (2016); https://doi.org/10.1002/aenm.201600046.

D. Shin et al., Enhanced CIGS performance by alkali post-deposition treatments, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 95, 146 (2011); https://doi.org/10.1016/j.solmat.2010.04.056.

M. Werner et al., 8.3% efficient CZTSSe solar cells from solution precursors, Thin Solid Films, 582, 308 (2015); https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.11.071.

T.C. Mangan et al., Thermochemical aspects of CZTSSe thin film growth, J. Appl. Phys. 118, 065304 (2015); https://doi.org/10.1063/1.4928057.

Y. Yusoff et al., Atmospheric pressure vapor phase epitaxy of ZnS, Mater. Lett. 221, 216 (2018); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.03.106.

J. Just et al., Secondary phases and their influence on the composition of the kesterite phase in CZTS and CZTSe thin films, Phys. Chem. Chem. Phys. 18(23), 15988 (2016); https://doi.org/10.1039/C6CP00178E.

H. Guan et al., Fabrication of CZTS thin films by solution method, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 28, 14424 (2017); https://doi.org/10.1007/s10854-017-7244-5.

Y. Mao et al., 12.86% efficient CZTSSe solar cells via inkjet printing, Adv. Funct. Mater. 35, 2416689 (2025); https://doi.org/10.1002/adfm.202416689.

R. Agrawal, Development of low-cost technology for earth-abundant solar cells, Technical Report (2014).

H.W. Schock, Thin film photovoltaics, Appl. Surf. Sci. 92, 606 (1996); https://doi.org/10.1016/0169-4332(95)00363-0.

S.M. Sivasankar et al., Progress in thin-film photovoltaics, J. Compos. Sci. 9(3), 143 (2025); https://doi.org/10.3390/jcs9030143.

A. Emrani, Fabrication and characterization of CZTS thin films, PhD Thesis (2014).

G. Altamura, J. Vidal, Impact of minor phases on the performances of CZTSSe thin-film solar cells, Chem. Mater. 28(11), 3540 (2016); https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b00069.

S. Sivaraj et al., A comprehensive review on thin-film solar cells, Energies, 15(22), 8688 (2022); https://doi.org/10.3390/en15228688.

G. Wisz, P. Sawicka-Chudy, R. Yavorskyi, P. Potera, M. Bester, TiO2/Cu2O heterojunctions for photovoltaic cells application produced by reactive magnetron sputtering, Materials Today: Proceedings, 2021, 35, 552-557. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.10.054.

T. Ahamed et al., Optimization of buffer layers for CZTSSe solar cells, J. Phys. Chem. Solids, 204, 112744 (2025); https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2024.112744.

S.R. Kodigala, Thin film solar cells from earth abundant materials, Book (2013).

S. Saha, Status review on CZTS-based thin-film solar cells, Int. J. Photoenergy, 2020, 3036413 (2020); https://doi.org/10.1155/2020/3036413.

B.K. Durant, B.A. Parkinson, Photovoltaic response of natural kesterite crystals, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 144, 586 (2016); https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015.09.024.

K. Kaur, M. Kumar, CZTSSe/CdS interface engineering, J. Mater. Chem. A 8, 21547 (2020); https://doi.org/10.1039/D0TA06027G.

T.R. Rana et al., Potassium fluoride treated CZTSSe solar cell, Curr. Appl. Phys. 17, 1353 (2017); https://doi.org/10.1016/j.cap.2017.07.007.

S.W. Shin et al., CZTS absorber layer using different stacking orders, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 95, 3202 (2011); https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.06.012.

R. Charghandeh, A. Abbasi, Effect of In(O,S) buffer layer on CZTSSe solar cells, Mater. Today Commun. 37, 107299 (2023); https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.107299.

H. Wang, Progress in thin film solar cells based on Cu2ZnSnS4, Int. J. Photoenergy 2011(1), 801292 (2011); https://doi.org/10.1155/2011/801292.