我国新一代薄膜光伏关键材料与器件研究上取得新进展。中国科学院青岛能源所固态能源系统技术中心崔光磊研究员团队近日CZTSSe（铜锌锡硫硒）薄膜太阳能电池研究中，针对硒化相变过程“金属离子迁移不可控”这个制约效率提升的核心难题，提出“Li₂SnS₃界面相平衡调控”新机制，实现器件光电转换效率15.45%，第三方国际权威认证效率达到15.04%，并在1.10 eV带隙条件下将开路电压首次提升至600 mV以上。涉及的成果发表于能源材料领域国际期刊《Nature Energy》。 一段时间以来，光伏作为推进能源转型、保障能源安全的重要抓手，正从规模扩张迈向高质量发展。提高转换效率、降低度电成本、增强供应链韧性，是行业持续攻关的方向。与硅基电池相比，薄膜光伏在材料使用量、柔性应用、制备路径各上具备差异化潜力。其中，CZTSSe因元素储量相对丰富、成本较低、稳定性较好、无毒等特点，被认为是具备发展潜力的下一代光伏技术路线之一。但长期以来，CZTSSe电池普遍存开路电压偏低、缺陷密度较高、相变过程难以精确控制等问题，成为效率提升的主要掣肘。 从问题层面看，CZTSSe器件性能高度依赖薄膜的晶体质量与缺陷控制，而薄膜形成关键在硒化相变过程。相变过程中多种金属离子迁移速率不匹配，容易引发成分波动与结构无序，进而形成深能级缺陷与复合中心，导致载流子在到达电极前就“损失”于非辐射复合，最终表现为开路电压不足、填充因子受限、效率难以突破。业内普遍认为，要实现CZTSSe效率跨越式提升，必须在相变动力学与缺陷形成机理上取得更具针对性的调控手段。 从原因分析看，传统工艺多依赖温度、时间、气氛与组分配比等宏观参数调节，难以在微观尺度上同时兼顾多离子迁移与晶粒生长的协同。尤其在硒化反应中，Sn、Zn等元素价态与迁移行为差异较大，易造成局部化学势失衡与相分离倾向，诱发深缺陷生成。若不能在反应界面实现“迁移平衡”和“生长引导”，薄膜结晶质量与器件电压提升将持续受限。 该团队的工作提出了更具结构指向性的解决方案：在CZTSSe初始晶粒周围引入Li₂SnS₃界面相——通过界面相平衡调控机制——缩小硒化过程中Sn⁴⁺与Zn²⁺迁移差异，实现更稳定的相变路径与晶粒有序生长。研究显示，这一机制能够有效降低CZTSSe材料中的深能级缺陷密度，提升薄膜结晶质量，并显著抬升器件开路电压。团队从结晶动力学角度继续阐释了离子迁移与缺陷形成之间的关联，为“为何电压提升、如何持续提升”提供了可检验的机理解释，也为后续工艺放大与稳定性优化奠定理论基础。 从影响层面看，认证效率突破15%具有标志性意义：一上，这意味着CZTSSe路线效率指标上继续逼近产业可关注区间，有助于增强学术界与产业界对该材料体系的信心；另一上，开路电压既定带隙条件下实现关键提升，表明其长期存在的“电压亏损”问题正在被更有效的材料与界面策略所破解。对光伏产业而言，围绕关键材料的原始创新不仅关乎单点效率，更关系到未来在资源禀赋、绿色制造与成本约束下形成多元技术路线储备，为我国能源结构调整提供更稳健的技术支撑。 从对策与路径看，下一阶段CZTSSe技术若要进一步迈向应用，需要在三个上形成合力：其一，围绕界面相调控策略开展工艺窗口优化与一致性验证，提升大面积制备的可重复性；其二，进一步压降低能级与界面复合损失，围绕接触层、缓冲层以及界面化学稳定性开展系统工程化优化；其三，面向组件与户外运行条件开展可靠性评估，建立与产业需求相匹配的寿命与衰减模型。值得关注的是，研究团队已形成系统知识产权布局，为技术转移与产业协同研发提供了重要基础。 从前景判断看，随着“双碳”目标持续推进与新型电力系统建设加快，光伏将继续承担增量电源的核心角色。未来光伏技术竞争不再仅限于单一效率指标，更将体现在资源安全、制造能耗、环境友好与场景适配等综合维度。CZTSSe以其材料端优势与薄膜工艺潜力，有望在差异化应用领域形成突破。此次以界面相为抓手、从相变动力学入手机制创新，为破解长期瓶颈提供了可复制的研究范式，也为我国在下一代光伏关键技术领域争取主动权增添了重要筹码。
该研究展示了我国在新能源领域的创新能力，从理论突破到技术研发形成了完整创新链。随着CZTSSe技术的优化，此新型太阳能电池将在能源转型中发挥更大作用，助力实现"双碳"目标。