Chalcogenide perovskites BaTi(OS)3 with band gap in the optimal Shockley-Queisser range

在过去的半个世纪里，科学家们一直在寻找一种更好的捕捉太阳能的方法。虽然由硅制成的传统太阳能电池板已经很好地服务了我们，但研究人员不断寻找成本更低、更易于生产且能够更高效地将阳光转化为电能的材料。这类材料中一个极具前景的家族被称为钙钛矿（perovskites）。这些晶体具有特定的、重复的结构，可以通过调节来有效地吸收光线。然而，目前最著名的钙钛矿材料含有铅，这是一种具有健康和环境风险的有毒金属，而且它们在暴露于水分或热量时往往会发生分解。为了解决这个问题，科学家们正在探索一种由丰富且无毒的元素组成的另一种类型的钙钛矿，特别是在寻找将氧与硫混合的化合物。目标是找到一种稳定、安全且具有恰到好处的光吸收能力的材料，为下一代太阳能电池提供动力。

在最近的一项研究中，墨西哥扎卡特卡斯自治大学的研究人员致力于创造并测试其中一种新材料，一种被称为氧化钛钡硫（barium titanium oxysulfide）的晶体。他们从一种常见的、稳定的粉末——氧化钛钡开始，将其置于特制的高温炉中进行高温处理。研究人员不仅是对粉末进行加热，还引入了二硫化碳蒸气，这种化学物质作为硫的来源。通过将混合物加热到三种不同的温度——600、700 和 800 摄氏度——他们旨在用硫原子取代晶体中的部分氧原子。研究人员希望观察温度的变化如何改变材料的内部结构及其吸收光的能力，希望能为太阳能应用找到完美的平衡点。

结果表明，温度是控制材料成分的关键。随着热量的增加，最终晶体中的硫含量显著增长。在 600 摄氏度的最低温度下，材料中的硫质量占比约为 14.6%。当温度升高到 700 度时，硫含量上升到 18.2%，而在最高的 800 度时，硫含量达到了 20.2%。这种转变不仅仅是增加了更多的硫，它从根本上改变了晶体的形状。起始材料具有四方结构（tetragonal structure），这是一种特定的原子几何排列。随着更多的硫取代氧，晶体缓慢地转变为六方结构（hexagonal structure），这是一种对于此类化合物而言更稳定的不同几何形状。在最高温度下处理的样品最为成功，显示出清晰、有序的六方结构，没有任何原始形状的痕迹。

除了改变形状之外，热处理还提高了晶体的质量。研究人员测量了微小的单个晶体（称为晶粒）的大小，发现随着温度的升高，晶粒变得越来越大。在 600 度下制备的样品晶粒较小且组织较乱，而 800 度制备的样品则拥有更大、更完美的晶体。这表明较高的热量有助于原子更整齐地排列，从而减少内部应力并创造出更强、更均匀的材料。团队还利用基于光的手段分析了材料内的化学键，并确认了硫和氧原子已成功整合进晶格中，形成了他们所寻求的特定分子键。

然而，最关键的发现涉及材料如何与光相互作用。对于太阳能电池的高效运作，其制造材料必须具有“带隙”（band gap），即产生电流所需的特定能量值。如果这个间隙太宽，材料会错过大部分太阳能；如果太窄，则会浪费能量产生热量。太阳能电池的理想范围是在 1.1 到 1.7 电子伏特（electron volts）之间的狭窄窗口。研究人员发现，通过简单地提高温度和硫含量，他们可以精确地调节这一带隙。在 600 度下制备的材料带隙为 1.53 电子伏特。随着他们将热量提高到 700 度和 800 度，带隙分别缩小到 1.51 和 1.47 电子伏特。这个最终数值正好处于太阳能转换的最佳范围内。

这项研究证明，通过在合成过程中精确控制温度，可以设计出一种新型的非毒性太阳能材料。研究人员证明，他们可以将一种常见的氧化物转化为具有高度适合太阳能电池之晶体结构和光吸收特性的富硫钙钛矿。虽然这种材料尚未成为准备好进入工厂生产线的成品，但这项工作为如何制造这些晶体提供了清晰的路线图。通过展示更高的温度如何导致更多的硫、更好的晶体有序度以及完美匹配捕捉阳光的带隙，该研究为开发下一代清洁、高效且安全的太阳能技术提供了一条可行的路径。