幾十年來(lái)，硅太陽(yáng)能電池一直是太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的支柱，但其效率已接近29.4%的理論極限。為了突破這一上限，研究人員開始研究串聯(lián)太陽(yáng)能電池，采用分層材料來(lái)吸收更多陽(yáng)光。然而，尋找合適的配套材料，以避免因缺陷而影響效率，是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在很大程度上，硅的主導(dǎo)地位要?dú)w功于微芯片行業(yè)生產(chǎn)完美晶圓的能力，而這是新材料難以達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。

（圖片來(lái)源：澳大利亞先進(jìn)光伏中心）

以CZTS為例，這種材料由銅、鋅、錫和硫（或硒）制成，儲(chǔ)量豐富、環(huán)保且成本低，但易產(chǎn)生缺陷的特性阻礙其成為實(shí)用的太陽(yáng)能材料。

鹵化物鈣鈦礦：具有挑戰(zhàn)性的變革材料

更有前景的材料是鹵化物鈣鈦礦，其效率在短短12年內(nèi)（2009-2021年）提升了579%。相比之下，硅在類似時(shí)期的峰值提升僅為57%。

鹵化物鈣鈦礦是一種出色的材料，比大多數(shù)材料更耐受缺陷。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)提供了若干優(yōu)點(diǎn)：

鐵電性：當(dāng)暴露于電場(chǎng)時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生極化區(qū)域，從而提高電子提取率并充分減少能量損失；

拉什巴效應(yīng)（Rashba Effect）：這一特性有助于延長(zhǎng)電子壽命，使它們的發(fā)電效率更高；

大極化子（Large Polarons）：這些準(zhǔn)粒子可以保護(hù)電子免受缺陷影響，從而在材料中更平穩(wěn)地移動(dòng)；

熱聲子瓶頸（Hot Phonon Bottleneck）：這減緩了受激發(fā)電子的能量損失，將更多的陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。

然而，鹵化物鈣鈦礦中大多含有鉛，可能存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，而且它們?cè)诒┞队跓?、光或空氣時(shí)會(huì)降解，從而影響其耐用性和商業(yè)用途。

BaZrS3登場(chǎng)：富有前景的新競(jìng)爭(zhēng)材料

除了鹵化物鈣鈦礦，另一種材料日益受到關(guān)注——BaZrS3（BZS）。這是一種硫族化物鈣鈦礦（硫族化物是一類包括硫化物、硒化物和碲化物的材料）。與鹵化物鈣鈦礦不同，BZS穩(wěn)定、無(wú)毒，并保留了太陽(yáng)能電池所需的特性。

據(jù)外媒報(bào)道，澳大利亞先進(jìn)光伏中心（ACAP）的團(tuán)隊(duì)利用NCI（澳大利亞國(guó)家計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施）的超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)了一種具有弱鐵電性的BZS。研究人員通過(guò)施加應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)了這種BZS的性能，以模仿鹵化物鈣鈦礦的卓越特性。

在期刊《通訊材料（Communications Materials）》上發(fā)表的論文中，Alireza Yaghoubi等人提出了一項(xiàng)設(shè)計(jì)，通過(guò)堆疊多達(dá)100層超薄、半透明的BZS層來(lái)提高效率。結(jié)合現(xiàn)有硅太陽(yáng)能技術(shù)，其效率水平可以達(dá)到38%以上。

Yaghoubi表示，盡管富有前景，但制造BZS太陽(yáng)能電池仍充滿挑戰(zhàn)。“熱力學(xué)是一條雙向道。如果某種物質(zhì)非常穩(wěn)定，不易分解，那么這也意味著它開始就很難制造。大多數(shù)硫族化物更喜歡硫而不是氧，但就BZS而言，鋯和鋇都對(duì)氧有很高的親和力。我們需要更加可控的環(huán)境以避免污染。”

硫族化物鈣鈦礦：太陽(yáng)能的未來(lái)？

BaZrS3可能代表太陽(yáng)能技術(shù)的下一個(gè)飛躍。盡管鹵化物鈣鈦礦的效率顯著提升，但由于毒性和不穩(wěn)定性等問(wèn)題，其商業(yè)潛力受限。

相比之下，BZS是一種穩(wěn)定、無(wú)毒的替代品，有望提高效率。然而，開發(fā)高效的生產(chǎn)方法仍是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。通過(guò)不斷的創(chuàng)新，BZS及類似材料有望帶來(lái)更清潔、更高效的太陽(yáng)能，從而開啟可持續(xù)能源新時(shí)代。