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季铜锌锡硫太阳能电池或将取代硅基光伏发电技术

钜大LARGE  |  点击量:311次  |  2019年08月06日  

摘要
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 Sola
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 Sola

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。”


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