目前，雖然太陽(yáng)能電池板市場(chǎng)(2010年生產(chǎn)18.2 GWP)的主宰仍是晶硅太陽(yáng)能電池，但是，基于硫族化合物(S，SE和TE)的薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)，將大大增加它們的市場(chǎng)滲透。例如，F(xiàn)irst Solar2010年生產(chǎn)15億瓦的碲化鎘(CdTe)組件，估計(jì)2011年底會(huì)達(dá)到23億瓦。其他碲化鎘公司，比如普萊姆星公司(Prime star)就屬于能源巨頭通用電氣公司，它正在加速碲化鎘生產(chǎn)，而很多其他公司，如Solar Frontier，邁阿太陽(yáng)公司(Mia sole)，Ascent，納米太陽(yáng)能公司(Nano solar)等，都在集中搞銅銦鎵(DI)硒(CIGS：copper indium gallium (di)selenide)太陽(yáng)能電池。銅銦鎵硒有可能達(dá)到更高的效率，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的設(shè)備效率已達(dá)20.3%。
除了設(shè)備性能之外，價(jià)格波動(dòng)問題(特別是銦)，稀土稀缺性問題(例如碲)，以及潛在的環(huán)境問題(如鎘的毒性問題)，都已引起一些人顧慮碲化鎘和銅銦鎵硒。最先找到的下一代薄膜光伏材料，就是低成本季銅鋅錫硫(CZTS：quaternary copper-zinc-tin-sulfide)和銅鋅錫硫族(CZTSSe：copper-zinc-tin-chalcogenide)。值得注意的是，這些材料包含地殼中豐富的天然元素，毒性非常低。
“從歷史上看，大部分季銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池的合成，是采用真空沉積金屬前體，之后再硫化，”休哥W ·希爾豪斯(Hugh W. Hillhouse)說(shuō)，他是華盛頓大學(xué)(University of Washington)化學(xué)工程系任伯格(Rehnberg)首席教授。“然而，這種方法具有挑戰(zhàn)性，原因是成本、空間異質(zhì)性成分和所形成的二元化合物，如硫化鋅(ZnS)。因此，他們正在開發(fā)一些溶液為基礎(chǔ)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池化學(xué)技術(shù)，以顯著降低生產(chǎn)成本，提高性能。”
當(dāng)前的紀(jì)錄，銅鋅錫硫族太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)10.1%，這一紀(jì)錄是由米茲(Mitzi)和IBM的同事制造的(《高效率太陽(yáng)能電池采用地球上豐富的液體處理吸收劑》)，使用的前體需要用肼(hydrazine)穩(wěn)定，肼是一種具有肝毒性、易爆的致癌溶劑。
有一篇論文發(fā)表在最近一期《先進(jìn)能源材料》上，就是《地球上豐富的光伏元素直接來(lái)自可溶性前體高產(chǎn)量需使用無(wú)毒溶劑》(Earth-Abundant Element Photovoltaics Directly from Soluble Precursors with High Yield Using a Non-Toxic Solvent)，希爾豪斯和他的小組表明，還有其他的化學(xué)方法，使用更加良性的溶劑，這需要演示一種簡(jiǎn)單輕便的液相法(solution phase method)，以制成季銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池，使用市售前體和無(wú)毒溶劑，也可高產(chǎn)。
銅鋅錫硫族光電器件的橫截面
“事實(shí)上，對(duì)于溶液加工無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池有什么可能性，我們很可能只是抓住了表面，”希爾豪斯說(shuō)。
他淺顯的新化學(xué)方法制備銅鋅錫硫族薄膜太陽(yáng)能電池，需采用旋涂溶液，就是一種高度可溶、價(jià)格便宜的市售前體，還有環(huán)保無(wú)毒溶劑，即二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide)，這樣，就可形成高質(zhì)量銅鋅錫硫族薄膜，在涂有鉬(molybdenum)的內(nèi)石灰(sodalime)玻璃上隨后進(jìn)行硒化(selenization)。制成的太陽(yáng)能電池設(shè)備具有空氣穩(wěn)定性，呈現(xiàn)的效率是4.1%。
希爾豪斯指出，從前體到薄膜，用這種方法摻合的金屬量可接近100%，采用納米晶體油墨方法就不是這樣的情況，但可以制成效率7.2%的設(shè)備。
這種新穎的加工方法打開了一扇大門，可以制造成本低、用溶液加工制備的薄膜太陽(yáng)能電池，就采用地球上豐富的元素。吸收層沉積，可以采用狹縫擠壓涂層(slot die coating)，間壁涂層，或其他易于升級(jí)的工藝。
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“到目前為止，都很少了解這種基本電子屬性、缺陷物理學(xué)、熱力學(xué)，或季銅鋅錫硫的形成動(dòng)力學(xué)，甚至更不太了解基于季銅鋅錫硫的異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電器件，”希爾豪斯說(shuō)。“單結(jié)太陽(yáng)能電池的理論效率極限，使用季銅鋅錫硫或銅鋅錫硫族均超過(guò)30%，很可能，一旦這些基本條件到位，季銅鋅錫硫太陽(yáng)能電池有朝一日就可以取代銅銦鎵硒、碲化鎘，甚至硅基光伏發(fā)電技術(shù)。”
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