Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

阳光是一条广阔且不均匀的能量河流，包含了从肉眼可见的紫色到能温暖皮肤的不可见红外线在内的各种色彩。几十年来，捕捉这种能量最有效的方法一直是使用单一材料（如硅）将光转化为电。但单一材料就像一个孔径固定的筛子；它能很好地捕捉某些颜色的光，却会让其他颜色穿透过去，从而将它们的能量作为热量浪费掉。为了捕捉更多的“河流”，科学家们转向将不同的材料堆叠在一起，创造出“叠层”太阳能电池。每一层都经过调优，以捕捉阳光光谱中不同的片段，通过协同工作，它们能比单层材料收获更多的能量。挑战一直在于为底层寻找合适的材料，这种材料必须是薄的、柔性的，并且能够捕捉长波长的不可见红外光而不发生降解。

牛津大学的研究团队及其合作者现在发现了一种新材料，有望解决这一问题，为开发不仅更高效而且制造起来更便宜、更稳定的太阳能电池提供了一条路径。他们将目光投向了一种名为硫化银铋（silver bismuth sulfide）的化合物，这种材料在单层太阳能电池中已展现出潜力，但从未成功用作堆叠式叠层器件的底层。研究人员发现，这种材料具有天然优势：它吸收红外光的效果比目前领先的候选材料（一种铅锡混合物）更有效，而且在暴露于空气中时不会分解。通过开发一种制造这种材料厚膜的新方法，他们展示了首个使用硫化银鑬的有效叠层太阳能电池，证明了它可以与其他层配对，从而创造出一种高效、稳定且可规模化的能源。

这一发现的过程始于一个简单的物理学问题。在叠层太阳能电池中，底层需要具有特定的“带隙”（bandgap），这个术语描述了材料将光转化为电所需的最小能量。如果带隙过高，材料会忽略低能红外光；如果带隙过低，则会浪费高能光的能量。对于两层太阳能电池的底层，理想的带隙应略低于一个电子伏特（electronvolt），而对于三层电池，该值甚至更低。目前先进太阳能电池底层的标准是铅锡混合物。虽然这种混合物可以经过调优来吸收红外光，但其带隙仍略高于完美值，且其中的锡成分在化学性质上不稳定，容易与氧气反应，除非在完全密封、无氧的环境中制造，否则会损坏电池。

研究人员将注意力转向了硫化银铋。这种材料天然具有约一个电子伏特的带隙，比铅锡混合物更接近底层的理想值。它还由丰富且无毒的元素组成，并且与铅锡混合物不同，它在普通空气中是稳定的。然而，存在一个显著的障碍。在之前的实验中，硫化银鄄只有在制成仅几十纳米厚的极薄薄膜时效果最好。这是因为该材料的“扩散长度”（diffusion length）较短，这意味着一旦光粒子产生电荷，电荷在丢失之前无法移动很远。对于一个运行良好的太阳能电池，尤其是旨在捕捉红外光的电池，薄膜需要更厚（约一百纳米或更多）才能吸收足够的光。如果薄膜太厚，电荷会被困住，导致电流停止流动。

为了克服这一点，研究人员开发了一种制备该材料的新方法。他们没有采用逐层构建薄膜这种缓慢且繁琐的过程，而是创建了一种含有微小硫化银铬晶体的液体墨水。然后，他们使用一种由溴化物和碘化物组成的化学试剂混合物对这些晶体进行处理，以清洁并保护它们的表面。这种被称为“溶液相配体交换”（solution-phase ligand exchange）的处理方式，使晶体能够紧密结合在一起，并能更好地导电。其结果是，这种薄膜可以像涂抹油漆一样通过单步法沉积，并且可以做到340纳米厚而不产生裂纹或失去导电能力。这是一个关键的突破，因为这意味着该材料终于可以足够厚，以捕捉它原本设计的红外光。

有了这种新型厚膜，团队构建了首批使用硫化银铬的叠层太阳能电池。他们制造了两类器件。第一种是“四端”（four-terminal）叠层，其中两个独立的太阳能电池层叠在一起，但独立运行，就像连接在电路中的两个独立电池一样。他们将硫化银铬底层电池与一种名为钙钛矿（perovskite）的不同材料制成的顶层电池进行了配对。这种组合产生了接近24%的效率，这是一个强有力的结果，证明了这两种材料可以有效地协同工作。第二种类型是“单片”（monolithic）或“两端”（two-terminal）叠层，其中各层被熔合为一个单一的固体单元，表现得像一个电池。这是一个更难的工程挑战，需要在两个电池之间加入一个特殊的透明层，以允许电流在它们之间流动而不发生短路。尽管复杂性很高，团队还是成功制造了这些器件，并展示了两个层的电压能够正确叠加，这是工作中的叠层电池的关键要求。

研究人员在制造器件前进行的模拟表明，硫化银铬可以将三层太阳能电池的理论效率推升至接近48%，远高于目前铅锡技术36%的极限。虽然他们制造的器件尚未达到这个理论峰值，但实验结果证实了该材料是有效的，且其制造方法是可行的。团队还测试了新电池的稳定性。他们将未密封的器件放在干燥空气中的架子上放置了三个月。虽然类似的铅锡混合物器件在一天半内就会失去大部分功率，但硫化银铬电池保留了超过90%的原始效率。这种耐用性表明，未来由这种材料制造的太阳能电池可以在常规工厂中生产，无需昂贵的无氧环境室，从而可能降低太阳能的成本。

研究人员还考察了大规模制造这些薄膜的难易程度。他们将这种新的单步法与旧的多步法进行了比较，发现新方法明显更快且更便宜。他们成功地将工艺从微小的实验室样本扩展到了较大的面板，显示出即使在尺寸如小瓷砖大小的表面上制作，薄膜依然保持均匀且无缺陷。这种可扩展性对于从实验室研究转向可用于屋顶或集成到建筑中的产品至关重要。

这项工作并不意味着问题已完全解决。研究人员指出，即使有了这些改进，硫化银铬中的电荷仍然会相对较快地被捕获，这限制了薄膜的厚度以及它能产生的电流量。他们确定，下一步是寻找让材料具有更高导电性的方法，例如通过改变晶体的排列方式，使电荷能够传输得更远。然而，这项研究已经建立了一条清晰的新路径。通过证明硫化银铬可以被制成厚、稳定且高效的薄膜，并通过展示其在首批叠层太阳能电池中的成功应用，团队为新一代太阳能技术开启了大门，这种技术将比现有的技术更高效、更稳定，且生产成本可能更低。