晶体硅太阳电池面临多个绊脚石和瓶颈，如能量消耗、银电极、硅锭切片和效率不一致等。薄膜硅太阳电池也面临一些绊脚石和瓶颈，如氧化铟锡、银背反射层、效率和成本等。如果两种电池技术都未能达到太瓦级规模，就需要开发一项新的电池技术。它采用地球上储量丰富的材料，并采用基于溶液法的制造工艺。即使晶体硅或薄膜硅太阳电池可以达到太瓦级的规模，开发一项新的太瓦级电池技术仍有其价值，因为它相对于当前技术可能会更经济有效。目前尚不能确定是否新电池技术是基于类似于当今商业电池技术的器件物理，即无机半导体光吸收和p-n结电荷分离。本节中对于新电池技术的讨论都是基于类似的器件物理。

此类新电池技术需要具备一些特性，部分特性如表5.1和表5.2所示。首先，新电池技术中半导体吸收层原材料必须在地球上储量丰富且成本低廉。图6.5为地球大陆地壳上层元素的相对丰度^[16]，这里开采原材料比深入到地壳深层或海底的开采成本低。如果我们设定以铅的丰度为限，那么地球上储量丰富的元素可以列在一个缩减版的元素周期表中（见表6.5）。通过不同的元素丰度为限，Alharbi等人制作了一张稍有不同的地球储量丰富的元素周期表^[17]。总的来说，轻元素比重元素丰富。但也有一些例外，如铅就很丰富。此外，原料的年产量会限制电池技术的应用速度。60TWp稳态安装量和25年组件使用寿命折算后为2.4TWp/年的太阳能组件生产速度。这儿我们设定的材料年产量以100000吨/年为限，这样就去除了表6.5中斜体标示的11个元素。此处材料年产量数据取自美国地质调查局^[1]。

图6.5 按原子序数排列的地球大陆地壳上层中相对元素丰度^[16]，这里开采比深入地球地壳或在海洋下容易。除了几个特例如铅和钡之外，通常轻元素比重元素丰度更高

表6.5 缩减版的地球大陆地壳上层高丰度元素周期表（这些元素以黑体标出）

注：元素丰度以铅元素的丰度为限。地球上高丰度元素通常是轻元素，例外的有铅和钡等重元素。*La、Ce和Nd也符合元素丰度的要求，但其开采量低于100000吨/年。

把表6.5中的剩余元素与表5.1和表5.2中的要求相比较将从表中去除更多的元素。IA族元素，如钠和钾，与水会产生激烈的反应，而且几乎它们所有的化合物都溶于水。这些当然不适合作为太阳电池吸收层，因而在表6.5中被去除。还未知氢与其他元素形成半导体的情况。氯和氟的情况也一样，几乎所有它们与其他元素构成的化合物都不是半导体，它们都不再被考虑。最终地球上储量丰富的元素周期表中包含大约20种元素，其中约15种金属。它们适合于太瓦级太阳电池技术，在表6.5中以黑体标示。

现在的问题变成：我们如何用表6.5中剩余的20种左右元素制造出半导体材料并且是否这些半导体材料的其中之一能够满足表5.1和表5.2的剩余要求？在表6.5中唯一的半导体元素是硅，因此我们必须为太瓦级太阳电池技术寻找一种化合物半导体。很显然，金属间化合物不会产生半导体，因此我们寻找的化合物为硅化物、氮化物和硫化物。大多数的碳化物带隙远高于1.5eV。

在太阳电池成本中一个重要因素是半导体吸收层的可加工性，这会影响成品率。虽然铜铟镓硒具有比碲化镉更高的实验室效率（见图2.1），但产业化比较缓慢。这意味着对于太瓦级太阳电池技术需要组分较少的简单化合物半导体，正如在5.1.3节中讨论的那样。出于这个原因，寻找太瓦级半导体吸收层首先应着眼于二元硅化物、氮化物和硫化物，即在表6.5中选择一个金属和一个IVA、VA或VIA族的元素。如果二元化合物不合适，下一步的重点应该是三元硅化物、氮化物和硫化物，它们具有更多的可能性。如果可能，我们还是应该远离四元化合物。

参考文献[17]总结了许多可能用于太瓦级太阳能光伏的二元半导体。如果我们的选择仅限于直接带隙半导体，参考文献中二元半导体的选择只有一个^[17]，即氮化钙（α-Ca₃ N₂）（见表6.6）。它的带隙为1.55eV，直接带隙，接近最佳带隙上限（见图3.7）。而许多地球上资源丰富的二元半导体具有间接带隙。如果它们的间接带隙是在1.1～1.5eV的最佳范围内并且它们的直接带隙也在该范围内，它们仍然可能用于薄膜太阳电池。较大的直接带隙会给薄膜太阳电池提供较大的光吸收系数，而较小的间接带隙限制了电池的开路电压。表6.6包括四五个这样的二元半导体，二硫化钨（WS₂）资源勉强算是丰富。

表6.6 新的太瓦级太阳电池技术几种可能的二元半导体的能带值^[17](www.daowen.com)

注：较小的间接带隙限制了电池的开路电压，较大的直接带隙减少了直接带隙下的吸收系数。

我们进一步认为，在表6.6的二元半导体中，硫化物是就生产低成本太阳电池而言最具希望的，比如硫化锡（SnS），也可能是二硫化钨。在硅化物、氮化物和硫化物中，硫化物的化学键最离子化。离子键使得硫化物可以用溶液法合成获得多晶薄膜，并具有优良的电学特性，能实现3.1节中所述的低成本高效率太阳电池。而合成硅化物、氮化物和磷化物通常需要真空工艺。

除了表6.6中的已知二元半导体外，有可能有些出自表6.5的新二元半导体满足对太瓦级太阳电池的所有要求。例子之一是硫化铜（Cu_x S）。第一性原理研究预言，当x＝1.75时，属于斜方晶系的Cu_1.75 S具有约1.4eV的直接带隙且为热力学稳定相^[18]。

可用于新型太瓦级太阳电池技术的二元半导体是有限的，特别是如果我们专注于溶液法合成的硫化物。这一事实促使我们努力去寻找一种三元半导体用于太瓦级太阳能光伏，最好是三元硫化物。有两种通用的方法在表6.5中发现一种三元半导体。第一种方法是将两种金属（阳离子）混进硅化物、氮化物中，或最好能混入硫化物中。另一种方法是将两种阴离子与金属混合。以黄铁矿（FeS₂）为例，它的间接带隙为0.95eV，直接带隙为1.3eV^[17]。最近发表了两个第一性原理研究，内容是基于黄铁矿的三元半导体带隙。将表6.5中提到的在地球上储量丰富的金属与黄铁矿混合并不能获得所需的带隙增加^[19]。将氧与黄铁矿混合可以增加间接带隙到1.2～1.3eV，这时有10%的硫原子被氧所取代^[20]，也即Fe^S_2-0.2 O0.2。这些三元半导体均没有理想的1.1～1.5eV的直接带隙。

作者和合作者最近发表了关于硫化赤铁矿的第一性原理研究，提出了第一个适用于太瓦级太阳能光伏的具有合适直接带隙的三元半导体^[21]。该三元半导体基于二元赤铁矿（α-Fe₂ O₃），这种二元赤铁矿具有约2.1eV的间接带隙。当约5.6%的氧原子被硫取代时，即α-Fe₂ O_3-0.167 S_0.167，带隙变为1.45eV的直接带隙，这对于实现最高效率非常理想。而非常有趣的是α-Fe₂ O₃和FeS₂都是间接带隙，带隙分别为2.1eV和0.95eV。图6.6a为二元赤铁矿中不同硫浓度x条件下计算出的带隙宽度值。对于x＝0.167，相应的带隙约为1.45eV。图6.6b为α-Fe₂^O3-0.167 S0.167的能带结构图，其中价带顶与导带底一致，即为直接带隙。

图6.6 α-Fe₂ O_3-x S_x的第一性原理研究^[21]。图a为α-Fe₂ O_3-x S_x中随硫浓度x变化的带隙计算值。在x＝0.167时，带隙大约为1.45eV。图b为α-Fe₂ O_3-0.167 S_0.167的能带结构。价带顶被设为能量零点。直接带隙在M点

金属硫氧化物的概念也适用于其他在地球上储量丰富的金属。比如：氧化亚铜（Cu₂ O）为2.0eV的直接带隙，硫化亚铜（Cu₂ S）为1.2eV的间接带隙。以适当比例混合氧化亚铜和硫化亚铜，1.1～1.5eV的带隙是有可能实现的。如果这些带隙中有直接带隙，那么铜硫氧化物（Cu₂ O_1-x S_x）就可能成为太瓦级太阳能光伏非常感兴趣的半导体。最近有关于Cu₂ O_1-x S_x的研究报道^[22]，尽管其中并没有指明带隙是直接还是间接。也有关于掺硫的二氧化钛（TiO₂）带隙工程的报道^[23]，因为二氧化钛具有3.3eV的直接带隙，二硫化钛（TiS₂）具有0.3eV的间接带隙。

我们有可能需要一种低成本的掺杂技术用于地球储量丰富的半导体吸收材料。如果在此半导体中利用p-n结进行电荷分离，就需要n型和p型材料均由该半导体或该半导体与其他储量丰富的半导体构成。为了获得最高效率，掺杂需要能获得最佳电阻率。半导体光吸收材料如果可以通过溶液法合成是最理想的，并且掺杂也可以基于溶液法进行。此外，在这种新型太阳电池技术中所用的材料必须是地球上储量丰富的，也即出自表6.5。在薄膜太阳电池中其他材料还有透明导电氧化物和金属电极。一些可能的透明导电氧化物的材料是氧化锌和二氧化钛，一些可能的金属电极的材料是铝和镍。