CZTSSe薄膜转化效率突破10%创世界纪录

我国无机光伏材料薄膜化研究获进展

中化新网讯 近日，从南京邮电大学传来消息，该校柔性电子全国重点实验室黄维院士和辛颢教授团队，用溶液法获得大面积“铜锌锡硫硒”光伏薄膜，并以10.1%的光电转化效率，验证了无机化合物制备柔性光伏材料的产业化潜力。研究成果9月15日在线发表于国际学术期刊《自然·能源》。

据辛颢介绍，第一代光伏材料晶体硅质地坚硬，当前光伏领域的研究热点是将光伏材料变得柔软、轻薄，甚至可以缝在衣服上。钙钛矿等新一代光伏材料虽然容易制成薄膜，但性能尚不稳定。在此背景下，第二代光伏材料“铜铟镓硒”重回研究人员视野。

“‘铜铟镓硒’因薄膜良品率低，且铟和镓的成本高，长期没有突破。”辛颢表示，2021年，她和团队将铟和镓换成锌和锡，又用溶液法取代传统的真空法，制备出0.1平方厘米的“铜锌锡硫硒”（CZTSSe）光伏薄膜，光电转化效率达到13%。

然而，与溶剂挥发过程中或在溶液中可直接形成目标结构的有机或钙钛矿薄膜不同，CZTSSe薄膜溶液法制备过程包括前驱膜沉积和高温硒化结晶两个关键步骤，结晶过程涉及复杂的相演化和晶粒生长，因此溶液法制备多元无机化合物薄膜仍存在挑战，尤其是实际应用于大面积均匀薄膜制备及高效太阳能组件时。国际上通常认为，光伏组件的面积超过10平方厘米光电转化效率才有实际意义，可随着薄膜面积放大，光电转化效率会大幅降低。

经过4年多研究，团队在溶液法获得大面积均匀CZTSSe制备薄膜和纪录效率太阳能电池组件的过程中，揭示了制约CZTSSe薄膜均匀性的原因，并通过调控溶液组分提高薄膜孔隙率促进垂直方向均匀结晶和横向晶粒生长，提高了薄膜均匀性和组件效率。团队经反复实验，精准调控溶液“配方”，进一步提高薄膜孔隙率，让结构更疏松，以便硒充分渗入，改善了组件薄膜均匀性与表面平整度，成功制备出有效率面积达10.48平方厘米的光伏组件。

经美国国家可再生能源实验室（NREL）认证际权威机构测试，该组件的光电转化效率达到10.1%，创造了CZTSSe组件首个世界纪录，并被国际《太阳能电池效率表》正式收录。

黄维院士表示，“铜锌锡硫硒”技术路线的优势在于原料储量丰富、无毒、成本低，此次研究成果标志着用溶液法制备无机柔性光伏材料不仅在理论上可行，而且具有产业化潜力。