图1. 具有不同晶体结构的太阳能材料

 

光伏有望成为一种廉价的可再生能源技术，可有效地将太阳能转化为电能。如今，全世界超过90%的光伏产品是由硅基材料制成的。然而，硅光伏材料的合成是资本密集型的，在如今的形势下有可能会限制其发展。处理过程需要高温，这是由于硅的熔化温度为1414℃；同时需要高纯度，这是由于其中的缺陷会影响电池的性能。针对于此，基础研究中所面临的一个挑战是，获得具有高效率、低制作成本、以及使用少量材料的光伏材料，且可规模化、无毒。这些过程所面临的挑战，很好地解释了大部分材料很难满足条件，而在过去的四十多年研究中，逐渐实现了光电转化效率超过5%。

如今科学家们开始寻找非硅薄膜光伏材料。传统的无机薄膜材料其光电转化效率达到了21.5%(CdTe)和21.7%(CIGS)。最近，一种可替代光伏材料混合甲基铵铅卤化物(MAPbX3)引起了越来越多的关注，这是由于其高达20.5%的光电转化效率以及其低的制造成本。然而，就目前而言，转化效率最高的光伏材料是基于有毒的铅开发的，由于存在低温下的相转变，从而其稳定性不高，这些材料的本征属性也阻碍了其商业化过程。因此，开发一种新型材料迫在眉睫，这些新型材料需要满足以上标准，同时避免目前已经非常成功的硅、CdTe、CIGS和MAPbX3等的缺点。许多二元体系可在溶液中进行低温蒸发处理，其花费相对便宜。和其他三元或者四元系统相比，二元系统中的物理膜和化学膜的特性更易控制。在《自然光子》杂志中，Zhou等人提出了一种方法来合成Sb2Se3，可应用于光伏装置中。Sb2Se3材料具有合适的光电特性—其能带宽度为1.1 eV，吸收波长范围广，从而成为非常具有潜力的薄膜材料。这种Sb2Se3材料可以在高速下进行沉积，而Sb2Se3材料的热力学蒸发则花费较低。通过这种方法合成的光伏装置，其能量转化效率可达5.6%。

有趣的是，Sb2Se3材料和其他传统无机太阳能电池材料不一样，它不是立方晶型材料。这种各向异性为电荷传输、复合带来了独特的应用。大多数应用非常成功的太阳能电池材料晶体都是立方晶型结构。然而，混合光伏材料具有更复杂的化学键，具有复杂的离子-离子键、偶极-偶极键等。相反，Sb2Se3材料是一种正交结构，类似于SnS。这种晶体结构的材料倾向于形成强的带状或层状结构，其中范德华力起非常重要的作用。图1 (c, d)代表了两种典型的晶体结构和层状结构。具有带状或层状结构的材料具有各向异性电荷传输特性，并且可用于高性能热电装置。Zhou等人认为这些各向异性结构在结构缺陷处具有更少的空键，因此晶界过渡更加温和。层状和带状材料的各向异性使得合成过程充满了挑战和机遇。许多材料生长技术——包括从溶液或者蒸汽项中开始生长——会产生针状或片状。通常，这些薄膜会形成丰富的微孔，表面也非常粗糙，因此不利于电荷传输。因此控制材料的形核和生长则变得非常困难。然而，一旦成功，各向异性生长可形成良好的导向带或层，可以促进定向电荷传输，同时也可以提高光捕捉。Zhou等人使用热蒸镀法，可相对提高生长速率，同时也可以保证对形核和形态的控制。作者介绍以如何通过控制温度来控制Sb2Se3的生长。在350℃条件下，Sb2Se3带可在CdS层上形成垂直层，其而不需要进行预处理。通过使用这种Sb2Se3薄膜，作者合成的太阳能电池具有5.6%的太阳能转化效率。

 

图2. 不同薄膜光伏技术的效率改进。

目前，这种材料的性能是效率最高的材料之一，仅有Zn3P2、Cu2S和Cu2O的效率比其高。进一步的效率提高则可以通过结构改进来实现，包括优化n型缓冲层导带偏移、电荷运输层、核和体寿命的改进。目前，Sb2S3敏化有机-无机异质结太阳能电池可通过加入PCPDTBT合成，其转化效率达到了7.5%，其中PCPDTBT能带窄，且可用作空穴传输材料。随着对可替代型化合物的进一步研究，非立方晶型材料的效率有望进一步提高。晶体材料对于载流子的传播的作用还需要进一步理解和深化。下一步的研究挑战将是如何能够将这些材料的转化效率超过10%，并引起学术界和工业界的重视。一个突出的问题是，社会是否可以加快学习新型无机光伏材料的速度，并利用光伏的资金等各方面来使材料效率达到商业化要求，同时CdTe和晶体硅继续得以改善。

 

新材料在线编译整理——翻译：杨超    校正：摩天轮