柔性CZTSSe太阳能电池与光伏组件效率取得新纪录 | 进展

随着可穿戴电子、分布式能源系统以及可集成光伏技术的快速发展，轻量化、可弯曲的柔性光伏器件正成为新能源技术的重要发展方向。Cu₂ZnSn(S,Se)₄（CZTSSe）是一类由地壳丰度高、环境友好的元素构成的新型无机薄膜光伏材料，兼具低成本潜力与优异机械柔性，被认为是未来便携式能源和空间能源应用的重要候选体系。目前，如何在结晶过程中实现多元体系的有序演化与缺陷协同调控，成为制约该光伏材料进一步发展的核心科学问题。

围绕这一挑战，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持续开展深入研究，逐步建立了对CZTSSe材料结晶动力学、原子有序度调控及缺陷演化机制的整体认识。依托长期技术积累，团队在近三年内相继实现14%、15%及16%多个跨尺度效率突破，推动该体系重新进入快速发展阶段。国际光伏权威统计平台美国可再生能源国家实验室(现更名为落基山国家实验室)发布的“Best Research-Cell Efficiency Chart”已连续4次，国际著名光伏专家Martin A. Green教授主编的《Solar Cell Efficiency Tables》迄今也已10次收录该团队在CZTSSe电池及组件效率方面取得的世界最高效率结果。

图1. 基于叠瓦技术的CZTSSe柔性组件实现了12%的组件效率世界纪录

在最新研究中，该团队联合杭州电子科技大学系统揭示了碱金属元素在CZTSSe薄膜晶体生长过程中的差异化作用机制。研究表明，传统的钠（Na）调控虽可促进晶粒生长并改善薄膜形貌，但同时会诱导SnSeₓ中间相的大尺度偏析，从而限制器件电压提升。在此基础上，研究人员创新提出“动力学竞争调控”策略，通过引入锂（Li）元素调节铜相关相的自由能特性，使其在晶化过程中优先消耗硒元素，从而有效抑制SnSeₓ相的无序生长，实现多相体系的协同有序演化。基于这一机制认识突破，研究团队成功在柔性衬底上制备出高质量CZTSSe薄膜，柔性太阳电池光电转换效率达到14.5%（认证效率14.2%），刷新了该类柔性器件效率纪录。同时，进一步构建了叠瓦式柔性CZTSSe光伏组件，在10 cm²上实现12.7%的光电转换效率（认证效率12.0%），不仅超越了日本Solar Frontier公司保持十余年的组件效率纪录，也实现了柔性CZTSSe组件性能首次超过刚性器件。相关结果已被《Solar Cell Efficiency Tables（Version 66）》收录。

该研究从材料微观结构调控层面深化了对复杂多元半导体结晶行为的认识，为多元化合物材料的有序生长提供了新的理论框架和技术路径。研究成果不仅推动了柔性无机薄膜光伏技术的发展，也为未来高性能可集成能源系统的构建提供了重要支撑。相关成果以“Alkali-metal-mediated control of phase segregation for flexible kesterite solar cells and modules with improved efficiency”为题发表在《Nature Energy》上。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中国博士后创新人才支持计划以及中国科学院青年创新促进会等项目的支持。

编辑：楠客