柔性電子全國重點實驗室/南京郵電大學化學與生命科學學院黃維院士、辛顥教授團隊在銅鋅錫硫硒薄膜太陽能電池領域研究取得突破性進展。相關成果于北京時間9月15日以“Solution-processed kesterite solar module with 10.1% certified efficiency”為題發表在國際學術期刊Nature Energy（《自然·能源》，DOI: 10.1038/s41560-025-01860-3），南京郵電大學為唯一通訊單位，黃維院士、辛顥教授以及青年教師王少熒為論文共同通訊作者，博士研究生相春旭和碩士研究生袁明君為共同第一作者。
團隊通過溶液法獲得大面積均勻Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)薄膜和紀錄效率太陽能電池組件，揭示了制約CZTSSe薄膜均勻性的原因，并通過調控溶液組分提高薄膜孔隙率促進垂直方向均勻結晶和橫向晶粒生長，提高了薄膜均勻性和組件效率。通過優化組件結構減少非理想接觸和圖案化導致的電流損失和電阻損耗，進一步提高了組件效率。面積10.48 cm2的組件經美國國家可再生能源實驗室（NREL）認證效率達到10.1%，創造了CZTSSe第一個組件世界紀錄。
(a) 前驅體溶液照片，(b) CZTSSe太陽能電池結構示意圖，(c) 不同組分溶液（Tu1.5，Tu1.7）制備的前驅薄膜與吸收層薄膜在不同硒化階段的表面及截面SEM圖像，(d) Tu1.5與Tu1.7太陽能電池光伏參數統計圖，(e) 經NREL認證的效率為10.08%的CZTSSe組件I-V曲線圖，(f) 認證組件正面照片，(g) 薄膜太陽能電池組件（鈣鈦礦、有機、銅銦鎵硒（CIGS）、CZTSSe組件）CTM（Cell to Module）損失對比。
可大面積低成本溶液加工的薄膜太陽能電池已經成為新一代光伏的前沿并在鈣鈦礦和有機太陽能電池領域取得快速發展。鋅黃錫礦結構的多元無機化合物CZTSSe組成元素儲量豐富、吸收系數高、理論轉換效率高、穩定性好，是另一種可以通過溶液制備的新興薄膜太陽能電池。然而，與溶劑揮發過程中或在溶液中可直接形成目標結構的有機或鈣鈦礦薄膜不同，CZTSSe薄膜溶液法制備過程包括前驅膜沉積和高溫硒化結晶兩個關鍵步驟，而結晶過程涉及復雜的相演化和晶粒生長，因此溶液法制備多元無機化合物薄膜仍存在挑戰，尤其是邁向實際應用的大面積均勻薄膜制備及高效太陽能組件方面。
針對這一難題，研究團隊首先探究了造成CZTSSe薄膜均勻性差的根源。發現硒化初期薄膜表面過早形成致密結晶層，嚴重阻礙了硒蒸氣滲透到薄膜內部，導致晶粒在縱向和橫向組分和結晶性的不均勻。通過調控溶液中硫脲和金屬比例（Tu/M 從1.5增加到1.7），有效增加了前驅膜孔隙率，更疏松的結構不僅促使硒元素在硒化過程中充分滲透至薄膜內部，而且為橫向晶粒生長提供了空間，從而顯著提升了薄膜均勻性與表面平整度，將單節電池平均效率從12.4%提升至13.4%，標準偏差由0.29%降至0.13%。該條件制備的大面積CZTSSe薄膜仍保持了優異的均勻性，組件效率達到8.91%。進一步通過組件結構優化縮短了電流沿低導電性ITO通道和高電阻MoSe?層的傳輸路徑，提高了填充因子和組件效率，認證效率達10.1%（有效面積10.48 cm2）。該組件的開路電壓和電流密度CTM損失均低于鈣鈦礦、有機和銅銦鎵硒薄膜電池。
該工作不僅實現了CZTSSe組件的重大突破，同時證明溶液法制備大面積均勻多元無機化合物薄膜的可行性，為高性能多元無機化合物薄膜太陽能電池及其組件的溶液加工制備提供了一條清晰可行的技術路徑，為綠色、低成本光伏技術的產業化提供了切實可行的方案。
該工作得到了國家重點研發計劃項目、山東省自然科學基金重大基礎研究項目 、國家自然科學基金、江蘇省研究生科研實踐創新項目等項目的資助。
（撰稿：辛顥、王少熒 初審：喬祖琴、戴修斌 編輯：王存宏 審核：張豐）