华盛顿大学：廉价元素制备无机太阳能电池

单结太阳能电池的理论效率极限超过30％，一旦基本条件到位，季铜锌锡硫太阳能电池就可以取代铜铟镓硒，碲化镉，甚至硅基光伏发电技术。
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》）。

“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，以显著降低生产成本，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。

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。”

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