季铜锌锡硫太阳能电池或将取代硅基光伏发电技术

目前，虽然太阳能电池板市场(2010年生产18.2 GWP)的主宰仍是晶硅太阳能电池，但是，基于硫族化合物(S，SE和TE)的薄膜太阳能电池技术，将大大增加它们的市场渗透。例如，第一太阳能公司(First Solar)2010年生产15亿瓦的碲化镉(CdTe)组件，估计2011年底会达到23亿瓦。其他碲化镉公司，比如普莱姆星公司(Primestar)就属于能源巨头通用电气公司，它正在加速碲化镉生产，而很多其他公司，如太阳能前沿公司(Solar Frontier)，迈阿太阳公司(Miasole)，阿升特公司(Ascent)，纳米太阳能公司(Nanosolar)等，都在集中搞铜铟镓(DI)硒(CIGS：copper indium gallium (di)selenide)太阳能电池。铜铟镓硒有可能达到更高的效率，实验室规模的设备效率已达20.3%(《创造新世界纪录效率的铜铟镓硒薄膜太阳能电池效率超过20%》)。

除了设备性能之外，价格波动问题(特别是铟)，稀土稀缺性问题(例如碲)，以及潜在的环境问题(如镉的毒性问题)，都已引起一些人顾虑碲化镉和铜铟镓硒。最先找到的下一代薄膜光伏材料，就是低成本季铜锌锡硫(CZTS：quaternary copper-zinc-tin-sulfide)和铜锌锡硫族(CZTSSe：copper-zinc-tin-chalcogenide)。值得注意的是，这些材料包含地壳中丰富的天然元素，毒性非常低(见《丰富的无机材料可取代铂用于染料敏化太阳能电池》)。

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“从历史上看，大部分季铜锌锡硫薄膜太阳能电池的合成，是采用真空沉积金属前体，之后再硫化，”休哥W ?希尔豪斯(Hugh W. Hillhouse)说，他是华盛顿大学(University of Washington)化学工程系任伯格(Rehnberg)首席教授。“然而，这种方法具有挑战性，原因是成本、空间异质性成分和所形成的二元化合物，如硫化锌(ZnS)。因此，他们正在开发一些溶液为基础的无机太阳能电池化学技术，以显着降低生产成本，提高性能。”

当前的纪录，铜锌锡硫族太阳能电池光电转换效率超过10.1%，这一纪录是由米兹(Mitzi)和IBM的同事制造的(《高效率太阳能电池采用地球上丰富的液体处理吸收剂》)，使用的前体需要用肼(hydrazine)稳定，肼是一种具有肝毒性、易爆的致癌溶剂。

有一篇论文发表在最近一期《先进能源材料》上，就是《地球上丰富的光伏元素直接来自可溶性前体高产量需使用无毒溶剂》(Earth-Abundant Element Photovoltaics Directly from Soluble Precursors with High Yield Using a Non-Toxic Solvent)，希尔豪斯和他的小组表明，还有其他的化学方法，使用更加良性的溶剂，这需要演示一种简单轻便的液相法(solution phase method)，以制成季铜锌锡硫薄膜太阳能电池，使用市售前体和无毒溶剂，也可高产。

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在这项工作中，一个关键发现是有了一些替代品，这样，不再使用纳米晶体油墨或有毒溶剂如肼，也可以产生高效溶液加工的太阳能电池。

“事实上，对于溶液加工无机太阳能电池有什么可能性，我们很可能只是抓住了表面，”希尔豪斯说。

他浅显的新化学方法制备铜锌锡硫族薄膜太阳能电池，需采用旋涂溶液，就是一种高度可溶、价格便宜的市售前体，还有环保无毒溶剂，即二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide)，这样，就可形成高质量铜锌锡硫族薄膜，在涂有钼(molybdenum)的内石灰(sodalime)玻璃上随后进行硒化(selenization)。制成的太阳能电池设备具有空气稳定性，呈现的效率是4.1%。

希尔豪斯指出，从前体到薄膜，用这种方法掺合的金属量可接近100%，采用纳米晶体油墨方法就不是这样的情况，但可以制成效率7.2%的设备。

这种新颖的加工方法打开了一扇大门，可以制造成本低、用溶液加工制备的薄膜太阳能电池，就采用地球上丰富的元素。吸收层沉积，可以采用狭缝挤压涂层(slot die coating)，间壁涂层，或其他易于升级的工艺。

“到目前为止，都很少了解这种基本电子属性、缺陷物理学、热力学，或季铜锌锡硫的形成动力学，甚至更不太了解基于季铜锌锡硫的异质结构光电器件，”希尔豪斯说。“单结太阳能电池的理论效率极限，使用季铜锌锡硫或铜锌锡硫族均超过30%，很可能，一旦这些基本条件到位，季铜锌锡硫太阳能电池有朝一日就可以取代铜铟镓硒、碲化镉，甚至硅基光伏发电技术。”