物理所通過缺陷調控持續刷新并保持銅鋅錫硫硒薄膜太陽能電池世界紀錄(最新已達16.6%) | 進展

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、環境友好和低成本等優勢，被認為是極具潛力的新一代光伏技術。持續提高該類太陽能電池光電轉換效率是該領域研究的重點和難點。CZTSSe復雜多元晶體結構中的陽離子無序，尤其是Cu與Zn反位，是造成電池效率損耗的關鍵因素之一。Cu-Zn無序會引起帶隙降低、缺陷態密度升高，并增加非輻射復合活性，從而造成開路電壓損失。Cu-Zn有序化是提升電池性能的關鍵。但，由于在熱力學和動力學上的內在矛盾，Cu-Zn有序化和元素分布的精準調控一直是該領域難以跨越的障礙。

針對這一難題，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一直致力于CZTSSe材料原子交換調控研究，特別是探索通過空位和晶體質量調控原子遷移交換動力學。基于這一策略，他們首先實現了寬帶隙CZTSSe材料中Cd元素的梯度合金化，構建了梯度帶隙光吸收層，創造了寬帶隙CZTSSe太陽能電池的效率紀錄 (Nature Energy 2025, 10, 205)。最近，該團隊進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。他們創新開發了元素預摻雜—選擇性刻蝕溶解的實驗策略，實現了CZTSSe薄膜表面Cu原子空位的引入，進而通過短時間退火，同步實現了Cu-Zn有序化和缺陷電荷復合的顯著降低。在此基礎上，團隊報道了CZTSSe電池14.9%的認證紀錄效率，為該領域帶來了新的材料機制理解和缺陷調控技術(Nature Energy 2026, 11, 66)。

圖. 最新發布的最高太陽能電池效率統計圖 (Best Research-Cell Efficiency Chart)，連續4次收錄了團隊CZTSSe器件紀錄效率

該團隊長期聚焦于CZTSSe太陽能電池光電特性和材料物理機制研究、材料性質調控、和器件技術攻關，在該類新型薄膜太陽能電池方面不斷刷新世界紀錄，目前權威認證效率已經達到16.6%。國際公認權威光伏統計“Best Research-Cell Efficiency Chart”(美國可再生能源國家實驗室(現更名為洛基山國家實驗室)發布)已連續4次收錄了該團隊先后創造的14.9%、15.1%、15.8%和16.6%電池效率紀錄。與此同時，國際光伏領域專家澳大利亞Martin Green教授發布的“Solar cell efficiency tables”統計迄今已10次收錄了該團隊在CZTSSe電池和組件上創造的最高效率紀錄。這兩大國際權威統計紀錄標志著該領域在該團隊和國內外同行的共同努力下而持續取得的重要進步。

上述相關研究成果分別以“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論文通訊作者。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士后科學基金和中國科學院青促會的支持。

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