物理所通过缺陷调控持续刷新并保持铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池世界纪录(最新已达16.6%) | 进展

近年来，铜锌锡硫硒Cu₂ZnSn(S,Se)₄（CZTSSe）薄膜太阳能电池因其原料丰富、环境友好和低成本等优势，被认为是极具潜力的新一代光伏技术。持续提高该类太阳能电池光电转换效率是该领域研究的重点和难点。CZTSSe复杂多元晶体结构中的阳离子无序，尤其是Cu与Zn反位，是造成电池效率损耗的关键因素之一。Cu-Zn无序会引起带隙降低、缺陷态密度升高，并增加非辐射复合活性，从而造成开路电压损失。Cu-Zn有序化是提升电池性能的关键。但，由于在热力学和动力学上的内在矛盾，Cu-Zn有序化和元素分布的精准调控一直是该领域难以跨越的障碍。

针对这一难题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孟庆波团队一直致力于CZTSSe材料原子交换调控研究，特别是探索通过空位和晶体质量调控原子迁移交换动力学。基于这一策略，他们首先实现了宽带隙CZTSSe材料中Cd元素的梯度合金化，构建了梯度带隙光吸收层，创造了宽带隙CZTSSe太阳能电池的效率纪录 (Nature Energy 2025, 10, 205)。最近，该团队进一步提出了一种空位辅助的阳离子有序化策略，通过在CZTSSe中人为引入原子空位，为Cu-Zn有序化提供了能垒更低的通道。他们创新开发了元素预掺杂—选择性刻蚀溶解的实验策略，实现了CZTSSe薄膜表面Cu原子空位的引入，进而通过短时间退火，同步实现了Cu-Zn有序化和缺陷电荷复合的显著降低。在此基础上，团队报道了CZTSSe电池14.9%的认证纪录效率，为该领域带来了新的材料机制理解和缺陷调控技术(Nature Energy 2026, 11, 66)。

图. 最新发布的最高太阳能电池效率统计图 (Best Research-Cell Efficiency Chart)，连续4次收录了团队CZTSSe器件纪录效率

该团队长期聚焦于CZTSSe太阳能电池光电特性和材料物理机制研究、材料性质调控、和器件技术攻关，在该类新型薄膜太阳能电池方面不断刷新世界纪录，目前权威认证效率已经达到16.6%。国际公认权威光伏统计“Best Research-Cell Efficiency Chart”(美国可再生能源国家实验室(现更名为洛基山国家实验室)发布)已连续4次收录了该团队先后创造的14.9%、15.1%、15.8%和16.6%电池效率纪录。与此同时，国际光伏领域专家澳大利亚Martin Green教授发布的“Solar cell efficiency tables”统计迄今已10次收录了该团队在CZTSSe电池和组件上创造的最高效率纪录。这两大国际权威统计纪录标志着该领域在该团队和国内外同行的共同努力下而持续取得的重要进步。

上述相关研究成果分别以“Gradient bandgaps in sulfide kesterite solar cells enable over 13% certified efficiency”和“Vacancy-enhanced cation ordering via magnesium doping to enable kesterite solar cells with 14.9% certified efficiency”为题发表于Nature Energy。物理所王金琳博士、尹康博士、楼立诚博士及北京大学孟繁琦博士为两篇论文的共同一作，物理所石将建副研究员、罗艳红研究员、李冬梅研究员、孟庆波研究员为相关论文通讯作者。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金和中国科学院青促会的支持。

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