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季銅鋅錫硫太陽能電池取代硅基光伏發電技術

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年04月21日  

銅鋅錫硫族光電器件的橫截面。


目前,雖然太陽能電池板市場(2010年生產18.2GWP)的主宰仍是晶硅太陽能電池,但是,基于硫族化合物(S,SE和TE)的薄膜太陽能電池技術,將大大增加它們的市場滲透。例如,FirstSolar2010年生產15億瓦的碲化鎘(CdTe)組件,估計2011年底會達到23億瓦。其他碲化鎘公司,比如普萊姆星公司(Primestar)就屬于能源巨頭通用電氣公司,它正在加速碲化鎘生產,而很多其他公司,如SolarFrontier,邁阿太陽公司(Miasole),Ascent,納米太陽能公司(Nanosolar)等,都在集中搞銅銦鎵(DI)硒(CIGS:copperindiumgallium(di)selenide)太陽能電池。銅銦鎵硒有可能達到更高的效率,實驗室規模的設備效率已達20.3%。


除了設備性能之外,價格波動問題(特別是銦),稀土稀缺性問題(例如碲),以及潛在的環境問題(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:quaternarycopper-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(HughW.Hillhouse)說,他是華盛頓大學(UniversityofWashington)化學工程系任伯格(Rehnberg)首席教授。然而,這種方法具有挑戰性,原因是成本、空間異質性成分和所形成的二元化合物,如硫化鋅(ZnS)。因此,他們正在開發一些溶液為基礎的無機太陽能電池化學技術,以顯著降低生產成本,提高性能。


當前的紀錄,銅鋅錫硫族太陽能電池光電轉換效率超過10.1%,這一紀錄是由米茲(Mitzi)和IBM的同事制造的(《高效率太陽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)穩定,肼是一種具有肝毒性、易爆的致癌溶劑。


有一篇論文發表在最近一期《先進能源材料》上,就是《地球上豐富的光伏元素直接來自可溶性前體高產量需使用無毒溶劑》(Earth-AbundantElementPhotovoltaicsDirectlyfromSolublePrecursorswithHighYieldUsingaNon-ToxicSolvent),希爾豪斯和他的小組表明,還有其他的化學方法,使用更加良性的溶劑,這需要演示一種簡單輕便的液相法(solutionphasemethod),以制成季銅鋅錫硫薄膜太陽能電池,使用市售前體和無毒溶劑,也可高產。


在這項工作中,一個關鍵發現是有了一些替代品,這樣,不再使用納米晶體油墨或有毒溶劑如肼,也可以產生高效溶液加工的太陽能電池。


事實上,對于溶液加工無機太陽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。


他淺顯的新化學方法制備銅鋅錫硫族薄膜太陽能電池,需采用旋涂溶液,就是一種高度可溶、價格便宜的市售前體,還有環保無毒溶劑,即二甲基亞砜(dimethylsulfoxide),這樣,就可形成高質量銅鋅錫硫族薄膜,在涂有鉬(molybdenum)的內石灰(sodalime)玻璃上隨后進行硒化(selenization)。制成的太陽能電池設備具有空氣穩定性,呈現的效率是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(slotdiecoating),間壁涂層,或其他易于升級的工藝。


到目前為止,都很少了解這種基本電子屬性、缺陷物理學、熱力學,或季銅鋅錫硫的形成動力學,甚至更不太了解基于季銅鋅錫硫的異質結構光電器件,希爾豪斯說。單結太陽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30%,很可能,一旦這些基本條件到位,季銅鋅錫硫太陽能電池有朝一日就可以取代銅銦鎵硒、碲化鎘,甚至硅基光伏發電技術。


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