隨著可穿戴電子、分布式能源系統(tǒng)以及可集成光伏技術(shù)的快速發(fā)展，輕量化、可彎曲的柔性光伏器件正成為新能源技術(shù)的重要發(fā)展方向。Cu?ZnSn(S,Se)?（CZTSSe）是一類由地殼豐度高、環(huán)境友好的元素構(gòu)成的新型無機薄膜光伏材料，兼具低成本潛力與優(yōu)異機械柔性，被認為是未來便攜式能源和空間能源應(yīng)用的重要候選體系。目前，如何在結(jié)晶過程中實現(xiàn)多元體系的有序演化與缺陷協(xié)同調(diào)控，成為制約該光伏材料進一步發(fā)展的核心科學(xué)問題。

圍繞這一挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心孟慶波團隊持續(xù)開展深入研究，逐步建立了對CZTSSe材料結(jié)晶動力學(xué)、原子有序度調(diào)控及缺陷演化機制的整體認識。依托長期技術(shù)積累，團隊在近三年內(nèi)相繼實現(xiàn)14%、15%及16%多個跨尺度效率突破，推動該體系重新進入快速發(fā)展階段。國際光伏權(quán)威統(tǒng)計平臺美國可再生能源國家實驗室(現(xiàn)更名為落基山國家實驗室)發(fā)布的“Best Research-Cell Efficiency Chart”已連續(xù)4次，國際著名光伏專家Martin A. Green教授主編的《Solar Cell Efficiency Tables》迄今也已10次收錄該團隊在CZTSSe電池及組件效率方面取得的世界最高效率結(jié)果。

圖1. 基于疊瓦技術(shù)的CZTSSe柔性組件實現(xiàn)了12%的組件效率世界紀錄

在最新研究中，該團隊聯(lián)合杭州電子科技大學(xué)系統(tǒng)揭示了堿金屬元素在CZTSSe薄膜晶體生長過程中的差異化作用機制。研究表明，傳統(tǒng)的鈉（Na）調(diào)控雖可促進晶粒生長并改善薄膜形貌，但同時會誘導(dǎo)SnSe?中間相的大尺度偏析，從而限制器件電壓提升。在此基礎(chǔ)上，研究人員創(chuàng)新提出“動力學(xué)競爭調(diào)控”策略，通過引入鋰（Li）元素調(diào)節(jié)銅相關(guān)相的自由能特性，使其在晶化過程中優(yōu)先消耗硒元素，從而有效抑制SnSe?相的無序生長，實現(xiàn)多相體系的協(xié)同有序演化。基于這一機制認識突破，研究團隊成功在柔性襯底上制備出高質(zhì)量CZTSSe薄膜，柔性太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率達到14.5%（認證效率14.2%），刷新了該類柔性器件效率紀錄。同時，進一步構(gòu)建了疊瓦式柔性CZTSSe光伏組件，在10 cm2上實現(xiàn)12.7%的光電轉(zhuǎn)換效率（認證效率12.0%），不僅超越了日本Solar Frontier公司保持十余年的組件效率紀錄，也實現(xiàn)了柔性CZTSSe組件性能首次超過剛性器件。相關(guān)結(jié)果已被《Solar Cell Efficiency Tables（Version 66）》收錄。

該研究從材料微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控層面深化了對復(fù)雜多元半導(dǎo)體結(jié)晶行為的認識，為多元化合物材料的有序生長提供了新的理論框架和技術(shù)路徑。研究成果不僅推動了柔性無機薄膜光伏技術(shù)的發(fā)展，也為未來高性能可集成能源系統(tǒng)的構(gòu)建提供了重要支撐。相關(guān)成果以“Alkali-metal-mediated control of phase segregation for flexible kesterite solar cells and modules with improved efficiency”為題發(fā)表在《Nature Energy》上。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。

編輯：楠客