北京
隨著可穿戴電子、分布式能源系統以及可集成光伏技術的快速發展，輕量化、可彎曲的柔性光伏器件正成為新能源技術的重要發展方向。Cu?ZnSn(S,Se)?（CZTSSe）是一類由地殼豐度高、環境友好的元素構成的新型無機薄膜光伏材料，兼具低成本潛力與優異機械柔性，被認為是未來便攜式能源和空間能源應用的重要候選體系。目前，如何在結晶過程中實現多元體系的有序演化與缺陷協同調控，成為制約該光伏材料進一步發展的核心科學問題。
圍繞這一挑戰，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心孟慶波團隊持續開展深入研究，逐步建立了對CZTSSe材料結晶動力學、原子有序度調控及缺陷演化機制的整體認識。依托長期技術積累，團隊在近三年內相繼實現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展階段。國際光伏權威統計平臺美國可再生能源國家實驗室(現更名為落基山國家實驗室)發布的“Best Research-Cell Efficiency Chart”已連續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果。
圖1. 基于疊瓦技術的CZTSSe柔性組件實現了12%的組件效率世界紀錄
在最新研究中，該團隊聯合杭州電子科技大學系統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，傳統的鈉（Na）調控雖可促進晶粒生長并改善薄膜形貌，但同時會誘導SnSe?中間相的大尺度偏析，從而限制器件電壓提升。在此基礎上，研究人員創新提出“動力學競爭調控”策略，通過引入鋰（Li）元素調節銅相關相的自由能特性，使其在晶化過程中優先消耗硒元素，從而有效抑制SnSe?相的無序生長，實現多相體系的協同有序演化。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量CZTSSe薄膜，柔性太陽電池光電轉換效率達到14.5%（認證效率14.2%），刷新了該類柔性器件效率紀錄。同時，進一步構建了疊瓦式柔性CZTSSe光伏組件，在10 cm2上實現12.7%的光電轉換效率（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，也實現了柔性CZTSSe組件性能首次超過剛性器件。相關結果已被《Solar Cell Efficiency Tables（Version 66）》收錄。
該研究從材料微觀結構調控層面深化了對復雜多元半導體結晶行為的認識，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路徑。研究成果不僅推動了柔性無機薄膜光伏技術的發展，也為未來高性能可集成能源系統的構建提供了重要支撐。相關成果以“Alkali-metal-mediated control of phase segregation for flexible kesterite solar cells and modules with improved efficiency”為題發表在《Nature Energy》上。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、中國博士后創新人才支持計劃以及中國科學院青年創新促進會等項目的支持。
編輯：楠客
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