硫属化物钙钛矿：太阳能技术的下一个前沿？

Josiah02

几十年来，硅一直是太阳能行业的支柱，但它的效率已接近理论极限 29.4%。为了突破这一上限，科学家们开始研究串联太阳能电池，这种电池采用分层材料来捕获更多阳光。然而，由于缺陷会阻碍其效率，寻找合适的配套材料是一项艰巨的任务。硅的主导地位很大程度上归功于微芯片行业生产完美晶圆的能力——这是新材料难以达到的标准。
以 CZTS 为例，这是一种由铜、锌、锡和硫或硒制成的材料。它储量丰富、环保且成本低廉，但其易产生缺陷的特性阻碍了其作为实用太阳能材料的采用。
卤化物钙钛矿：充满挑战的游戏规则改变者
更有前景的材料是卤化物钙钛矿，其效率取得了令人难以置信的进步——在短短 12 年内（2009-2021 年）提升了 579%。相比之下，硅的峰值改进在类似时期仅为 57%。
卤化物钙钛矿是一种特殊材料，因为它们比大多数材料更能容忍缺陷。它们独特的结构提供了几个优点：
铁电性：当暴露于电场时，它们会产生极化区域，从而提高电子的提取率并最大限度地减少能量损失。
拉什巴效应：此特性可延长电子的寿命，使其更有效地发电。
大极化子：这些准粒子保护电子免受缺陷的影响，使其能够在材料中更平稳地移动。
热声子瓶颈：这减缓了激发电子的能量损失，将更多的阳光转化为电能。
然而，卤化物钙钛矿并不完美。它们大多数都含有铅，对环境构成威胁，而且它们在暴露于热、光或空气时会降解，从而限制了它们的耐用性和商业用途。
两种拟议的铁电 BZS 太阳能电池架构：准外延法 (a) 和转移到柔性聚合物基底上的超薄膜 (b)。图片来源：Alireza Yaghoubi
BaZrS 3登场：一个有前途的新竞争者
虽然卤化物钙钛矿引起了人们的关注，但另一种材料正在成为竞争者：BaZrS 3 (BZS)，一种硫族化物钙钛矿（硫族化物是一类包括硫化物、硒化物和碲化物的材料）。与卤化物钙钛矿不同，BZS 稳定、无毒，并保留了太阳能电池所需的特性。
澳大利亚先进光伏中心 (ACAP) 的研究人员利用 NCI (国家计算基础设施) 的超级计算机发现了一种具有弱铁电性的 BZS。通过施加应变，他们增强了其性能，以模仿卤化物钙钛矿的奇异特性。
在《通讯材料》杂志发表的论文中，Alireza Yaghoubi 及其同事提出了一项雄心勃勃的设计：堆叠多达 100 层超薄、半透明的 BZS 层以提高效率。与现有的硅太阳能技术相结合，这可以实现 38% 以上的效率水平。
尽管前景光明，但 Yaghoubi 表示，制造 BZS太阳能电池仍充满挑战。“热力学是一条双向道路。如果某种物质非常稳定，不易分解，那么这也意味着它从一开始就很难制造。”他继续说道，“大多数硫族化物更喜欢硫而不是氧，但就 BZS 而言，锆和钡都对氧有很高的亲和力。我们需要一个更加可控的环境来避免污染。”
硫属化物钙钛矿：太阳能的未来？
BaZrS 3可能代表太阳能技术的下一个飞跃。尽管卤化物钙钛矿以其显著的效率提升铺平了道路，但毒性和不稳定性等问题限制了其商业潜力。
BZS 是一种稳定、无毒的替代品，有望提高效率。然而，开发高效的生产方法仍然是一项关键挑战。随着不断创新，BZS 和类似材料可以带来更清洁、更高效的太阳能，开启可持续能源的新时代。
本报道是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在此报告其已发表研究论文的发现。访问此页面可了解有关 Science X Dialog 的信息以及如何参与。