几十年来，硅太阳能电池一直是太阳能产业的支柱，但其效率已接近29.4%的理论极限。为了突破这一上限，研究人员开始研究串联太阳能电池，采用分层材料来吸收更多阳光。然而，寻找合适的配套材料，以避免因缺陷而影响效率，是一项艰巨的任务。在很大程度上，硅的主导地位要归功于微芯片行业生产完美晶圆的能力，而这是新材料难以达到的标准。

（图片来源：澳大利亚先进光伏中心）

以CZTS为例，这种材料由铜、锌、锡和硫（或硒）制成，储量丰富、环保且成本低，但易产生缺陷的特性阻碍其成为实用的太阳能材料。

卤化物钙钛矿：具有挑战性的变革材料

更有前景的材料是卤化物钙钛矿，其效率在短短12年内（2009-2021年）提升了579%。相比之下，硅在类似时期的峰值提升仅为57%。

卤化物钙钛矿是一种出色的材料，比大多数材料更耐受缺陷。其独特的结构提供了若干优点：

铁电性：当暴露于电场时，它们会产生极化区域，从而提高电子提取率并充分减少能量损失；

拉什巴效应（Rashba Effect）：这一特性有助于延长电子寿命，使它们的发电效率更高；

大极化子（Large Polarons）：这些准粒子可以保护电子免受缺陷影响，从而在材料中更平稳地移动；

热声子瓶颈（Hot Phonon Bottleneck）：这减缓了受激发电子的能量损失，将更多的阳光转化为电能。

然而，卤化物钙钛矿中大多含有铅，可能存在环境风险，而且它们在暴露于热、光或空气时会降解，从而影响其耐用性和商业用途。

BaZrS3登场：富有前景的新竞争材料

除了卤化物钙钛矿，另一种材料日益受到关注——BaZrS3（BZS）。这是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。

据外媒报道，澳大利亚先进光伏中心（ACAP）的团队利用NCI（澳大利亚国家计算基础设施）的超级计算机发现了一种具有弱铁电性的BZS。研究人员通过施加应变增强了这种BZS的性能，以模仿卤化物钙钛矿的卓越特性。

在期刊《通讯材料（Communications Materials）》上发表的论文中，Alireza Yaghoubi等人提出了一项设计，通过堆叠多达100层超薄、半透明的BZS层来提高效率。结合现有硅太阳能技术，其效率水平可以达到38%以上。

Yaghoubi表示，尽管富有前景，但制造BZS太阳能电池仍充满挑战。“热力学是一条双向道。如果某种物质非常稳定，不易分解，那么这也意味着它开始就很难制造。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。我们需要更加可控的环境以避免污染。”

硫族化物钙钛矿：太阳能的未来？

BaZrS3可能代表太阳能技术的下一个飞跃。尽管卤化物钙钛矿的效率显著提升，但由于毒性和不稳定性等问题，其商业潜力受限。

相比之下，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是一项关键挑战。通过不断的创新，BZS及类似材料有望带来更清洁、更高效的太阳能，从而开启可持续能源新时代。