我國無機光伏材料薄膜化研究獲進展

中化新網訊 近日，從南京郵電大學傳來消息，該校柔性電子全國重點實驗室黃維院士和辛顥教授團隊，用溶液法獲得大面積“銅鋅錫硫硒”光伏薄膜，并以10.1%的光電轉化效率，驗證了無機化合物制備柔性光伏材料的產業化潛力。研究成果9月15日在線發表于國際學術期刊《自然·能源》。

據辛顥介紹，第一代光伏材料晶體硅質地堅硬，當前光伏領域的研究熱點是將光伏材料變得柔軟、輕薄，甚至可以縫在衣服上。鈣鈦礦等新一代光伏材料雖然容易制成薄膜，但性能尚不穩定。在此背景下，第二代光伏材料“銅銦鎵硒”重回研究人員視野。

“‘銅銦鎵硒’因薄膜良品率低，且銦和鎵的成本高，長期沒有突破?！毙令棻硎?，2021年，她和團隊將銦和鎵換成鋅和錫，又用溶液法取代傳統的真空法，制備出0.1平方厘米的“銅鋅錫硫硒”（CZTSSe）光伏薄膜，光電轉化效率達到13%。

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，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，尤其是實際應用于大面積均勻薄膜制備及高效太陽能組件時。國際上通常認為，光伏組件的面積超過10平方厘米光電轉化效率才有實際意義，可隨著薄膜面積放大，光電轉化效率會大幅降低。

經過4年多研究，團隊在溶液法獲得大面積均勻CZTSSe制備薄膜和紀錄效率太陽能電池組件的過程中，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。團隊經反復實驗，精準調控溶液“配方”，進一步提高薄膜孔隙率，讓結構更疏松，以便硒充分滲入，改善了組件薄膜均勻性與表面平整度，成功制備出有效率面積達10.48平方厘米的光伏組件。

經美國國家可再生能源實驗室（NREL）認證際權威機構測試，該組件的光電轉化效率達到10.1%，創造了CZTSSe組件首個世界紀錄，并被國際《太陽能電池效率表》正式收錄。

黃維院士表示，“銅鋅錫硫硒”技術路線的優勢在于原料儲量豐富、無毒、成本低，此次研究成果標志著用溶液法制備無機柔性光伏材料不僅在理論上可行，而且具有產業化潛力。