單結太陽能電池的理論效率極限超過30％，一旦基本條件到位，季銅鋅錫硫太陽能電池就可以取代銅銦鎵硒，碲化鎘，甚至硅基光伏發電技術。
目前，雖然太陽能電池板市場（2010年生產18.2 GWP）的主宰仍是晶硅太陽能電池，但是，基于硫族化合物（S，SE和TE）的薄膜太陽能電池技術，將大大增加它們的市場滲透。例如，第一太陽能公司（First Solar）2010年生產15億瓦的碲化鎘（CdTe）組件，估計2011年底會達到23億瓦。其他碲化鎘公司，比如普萊姆星公司（Primestar）就屬于能源巨頭通用電氣公司，它正在加速碲化鎘生產，而很多其他公司，如太陽能前沿公司（Solar Frontier），邁阿太陽公司（Miasole），阿升特公司（Ascent），納米太陽能公司（Nanosolar）等，都在集中搞銅銦鎵（DI）硒（CIGS：copper indium gallium (di)selenide）太陽能電池。銅銦鎵硒有可能達到更高的效率，實驗室規模的設備效率已達20.3％（《創造新世界紀錄的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池效率超過20％》）。

除了設備性能之外，價格波動問題（特別是銦），稀土稀缺性問題（例如碲），以及潛在的環境問題（如鎘的毒性問題），都已引起一些人顧慮碲化鎘和銅銦鎵硒。最先找到的下一代薄膜光伏材料，就是低成本季銅鋅錫硫（CZTS：quaternary copper-zinc-tin-sulfide）和銅鋅錫硫族（CZTSSe：copper-zinc-tin-chalcogenide）。值得注意的是，這些材料包含地殼中豐富的天然元素，毒性非常低（見《豐富的無機材料可取代鉑用于染料敏化太陽能電池》）。

“從歷史上看，大部分季銅鋅錫硫薄膜太陽能電池的合成，是采用真空沉積金屬前體，之后再硫化，”休哥W •希爾豪斯（Hugh W. Hillhouse）說，他是華盛頓大學（University of Washington）化學工程系任伯格（Rehnberg）首席教授。“然而，這種方法具有挑戰性，原因是成本、空間異質性成分和所形成的二元化合物，如硫化鋅（ZnS）。因此，他們正在開發一些溶液為基礎的無機太陽能電池化學技術，以顯著降低生產成本，提高性能。”

當前的紀錄，銅鋅錫硫族太陽能電池光電轉換效率超過10.1％，這一紀錄是由米茲（Mitzi）和IBM的同事制造的（《高效率太陽能電池采用地球上豐富的液體處理吸收劑》），使用的前體需要用肼（hydrazine）穩定，肼是一種具有肝毒性、易爆的致癌溶劑。

有一篇論文發表在最近一期《先進能源材料》上，就是《地球上豐富的光伏元素直接來自可溶性前體高產量需使用無毒溶劑》（Earth-Abundant Element Photovoltaics Directly from Soluble Precursors with High Yield Using a Non-Toxic Solvent），希爾豪斯和他的小組表明，還有其他的化學方法，使用更加良性的溶劑，這需要演示一種簡單輕便的液相法（solution phase method），以制成季銅鋅錫硫薄膜太陽能電池，使用市售前體和無毒溶劑，也可高產。

在這項工作中，一個關鍵發現是有了一些替代品，這樣，不再使用納米晶體油墨或有毒溶劑如肼，也可以產生高效溶液加工的太陽能電池。

“事實上，對于溶液加工無機太陽能電池有什么可能性，我們很可能只是抓住了表面，”希爾豪斯說。

他淺顯的新化學方法制備銅鋅錫硫族薄膜太陽能電池，需采用旋涂溶液，就是一種高度可溶、價格便宜的市售前體，還有環保無毒溶劑，即二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide），這樣，就可形成高質量銅鋅錫硫族薄膜，在涂有鉬（molybdenum）的內石灰（sodalime）玻璃上隨后進行硒化（selenization）。制成的太陽能電池設備具有空氣穩定性，呈現的效率是4.1％。

希爾豪斯指出，從前體到薄膜，用這種方法摻合的金屬量可接近100％，采用納米晶體油墨方法就不是這樣的情況，但可以制成效率7.2％的設備。

這種新穎的加工方法打開了一扇大門，可以制造成本低、用溶液加工制備的薄膜太陽能電池，就采用地球上豐富的元素。吸收層沉積，可以采用狹縫擠壓涂層（slot die coating），間壁涂層，或其他易于升級的工藝。

“到目前為止，都很少了解這種基本電子屬性、缺陷物理學、熱力學，或季銅鋅錫硫的形成動力學，甚至更不太了解基于季銅鋅錫硫的異質結構光電器件，”希爾豪斯說。“單結太陽能電池的理論效率極限，使用季銅鋅錫硫或銅鋅錫硫族均超過30％，很可能，一旦這些基本條件到位，季銅鋅錫硫太陽能電池有朝一日就可以取代銅銦鎵硒、碲化鎘，甚至硅基光伏發電技術。”

本文為麻省理工《科技創業》原創文章，未經書面許可，嚴禁轉載使用。