物理所通過缺陷調(diào)控持續(xù)刷新并保持銅鋅錫硫硒薄膜太陽能電池世界紀(jì)錄(最新已達(dá)16.6%) | 進(jìn)展

近年來，銅鋅錫硫硒Cu?ZnSn(S,Se)?（CZTSSe）薄膜太陽能電池因其原料豐富、環(huán)境友好和低成本等優(yōu)勢，被認(rèn)為是極具潛力的新一代光伏技術(shù)。持續(xù)提高該類太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率是該領(lǐng)域研究的重點和難點。CZTSSe復(fù)雜多元晶體結(jié)構(gòu)中的陽離子無序，尤其是Cu與Zn反位，是造成電池效率損耗的關(guān)鍵因素之一。Cu-Zn無序會引起帶隙降低、缺陷態(tài)密度升高，并增加非輻射復(fù)合活性，從而造成開路電壓損失。Cu-Zn有序化是提升電池性能的關(guān)鍵。但，由于在熱力學(xué)和動力學(xué)上的內(nèi)在矛盾，Cu-Zn有序化和元素分布的精準(zhǔn)調(diào)控一直是該領(lǐng)域難以跨越的障礙。

針對這一難題，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(tuán)隊一直致力于CZTSSe材料原子交換調(diào)控研究，特別是探索通過空位和晶體質(zhì)量調(diào)控原子遷移交換動力學(xué)。基于這一策略，他們首先實現(xiàn)了寬帶隙CZTSSe材料中Cd元素的梯度合金化，構(gòu)建了梯度帶隙光吸收層，創(chuàng)造了寬帶隙CZTSSe太陽能電池的效率紀(jì)錄 (Nature Energy 2025, 10, 205)。最近，該團(tuán)隊進(jìn)一步提出了一種空位輔助的陽離子有序化策略，通過在CZTSSe中人為引入原子空位，為Cu-Zn有序化提供了能壘更低的通道。他們創(chuàng)新開發(fā)了元素預(yù)摻雜—選擇性刻蝕溶解的實驗策略，實現(xiàn)了CZTSSe薄膜表面Cu原子空位的引入，進(jìn)而通過短時間退火，同步實現(xiàn)了Cu-Zn有序化和缺陷電荷復(fù)合的顯著降低。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊報道了CZTSSe電池14.9%的認(rèn)證紀(jì)錄效率，為該領(lǐng)域帶來了新的材料機(jī)制理解和缺陷調(diào)控技術(shù)(Nature Energy 2026, 11, 66)。

圖. 最新發(fā)布的最高太陽能電池效率統(tǒng)計圖 (Best Research-Cell Efficiency Chart)，連續(xù)4次收錄了團(tuán)隊CZTSSe器件紀(jì)錄效率

該團(tuán)隊長期聚焦于CZTSSe太陽能電池光電特性和材料物理機(jī)制研究、材料性質(zhì)調(diào)控、和器件技術(shù)攻關(guān)，在該類新型薄膜太陽能電池方面不斷刷新世界紀(jì)錄，目前權(quán)威認(rèn)證效率已經(jīng)達(dá)到16.6%。國際公認(rèn)權(quán)威光伏統(tǒng)計“Best Research-Cell Efficiency Chart”(美國可再生能源國家實驗室(現(xiàn)更名為洛基山國家實驗室)發(fā)布)已連續(xù)4次收錄了該團(tuán)隊先后創(chuàng)造的14.9%、15.1%、15.8%和16.6%電池效率紀(jì)錄。與此同時，國際光伏領(lǐng)域?qū)＜野拇罄麃哅artin Green教授發(fā)布的“Solar cell efficiency tables”統(tǒng)計迄今已10次收錄了該團(tuán)隊在CZTSSe電池和組件上創(chuàng)造的最高效率紀(jì)錄。這兩大國際權(quán)威統(tǒng)計紀(jì)錄標(biāo)志著該領(lǐng)域在該團(tuán)隊和國內(nèi)外同行的共同努力下而持續(xù)取得的重要進(jìn)步。

上述相關(guān)研究成果分別以“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”為題發(fā)表于Nature Energy。物理所王金琳博士、尹康博士、樓立誠博士及北京大學(xué)孟繁琦博士為兩篇論文的共同一作，物理所石將建副研究員、羅艷紅研究員、李冬梅研究員、孟慶波研究員為相關(guān)論文通訊作者。上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金和中國科學(xué)院青促會的支持。

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