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基于溶液法实现大面积均匀铜锌锡硫硒薄膜和纪录效率电池组件 |
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2025年9月15日,柔性电子全国重点实验室/南京邮电大学化学与生命科学学院在Nature Energy期刊上发表了一篇题为“Solution-processed kesterite solar module with 10.1% certified efficiency”的研究成果。该成果通过溶液法获得大面积均匀Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)薄膜和纪录效率太阳能电池组件。首次揭示了制约CZTSSe薄膜均匀性的原因,并通过调控溶液组分提高薄膜孔隙率促进垂直方向均匀结晶和横向晶粒生长,提高了薄膜均匀性和组件效率。通过优化组件结构减少电流损失和电阻损耗,进一步提高了组件效率。面积10.48 cm2的组件经美国国家可再生能源实验室(NREL)认证效率达到10.1%,创造了CZTSSe第一个组件世界纪录。论文通讯作者为辛颢、黄维、王少荧;第一作者为相春旭和袁明君。
可大面积低成本溶液加工的薄膜太阳能电池已经成为新一代光伏的前沿并在钙钛矿和有机太阳能电池领域取得快速发展。锌黄锡矿结构的多元无机化合物CZTSSe组成元素储量丰富、吸收系数高、理论转换效率高、稳定性好,是另一种可以通过溶液制备的新兴薄膜太阳能电池。然而,与溶剂挥发过程中或在溶液中可直接形成目标结构的有机或钙钛矿薄膜不同,CZTSSe薄膜溶液法制备过程包括前驱膜沉积和高温硒化结晶两个关键步骤,而结晶过程涉及复杂的相演化和晶粒生长,因此溶液法制备多元无机化合物薄膜仍存在挑战,尤其是迈向实际应用的大面积均匀薄膜制备及高效太阳能组件方面。

图1:前驱体溶液中硫脲与金属离子比例对吸收层薄膜形貌、均匀性以及器件性能的影响。
为研究导致CZTSSe薄膜不均匀性的原因,团队通过监测CZTSSe薄膜不同硒化阶段的形貌(图1c)来研究其结晶过程。在硒化的早期阶段(540 ℃-0 min),已经形成了高度结晶的致密顶层。随着硒化过程的进行,在540 ℃ -10 min时,底层开始结晶,上层晶粒进一步长大,而中间层结晶较慢,形成三层结构。然而,随着硒化过程的进一步进行,只有上层晶粒融合成大晶粒,中间层和底层没有明显变化。致密的顶层结构阻碍硒元素向薄膜内部渗透,导致垂直方向结晶不均匀,这是导致薄膜均匀性差以及器件性能波动较大(图1d)的根本原因。
为了提高CZTSSe吸收层薄膜的均匀性和表面平整度,团队通过将溶液中硫脲与金属比例(Tu/M)从初始的1.5提高到1.7,获得了更多孔的前驱膜,在硒化早期(图1c,540 ℃ -0 min)形成更疏松的顶部晶粒层,从而促进硒元素的下渗,改善薄膜纵向均匀结晶,形成致密大晶粒CZTSSe膜,提升了薄膜均匀性以及表面平整度(图1c)。基于均匀的吸收层薄膜,器件VOC和FF得到显著提升,平均光电转换效率(PCE)从12.39%提升至13.40%。且各项光伏参数的统计数据标准差大幅降低(PCE标准差仅为0.13%,图1d),表明器件性能一致性得到改善。

图2:组件结构优化及稳定性研究。
基于均匀的CZTSSe吸收层薄膜,在4 cm×4 cm基底上制备了CZTSSe太阳能组件,该组件通过三次连续图案化步骤(称为P1、P2和P3划线,图2a)将六个子电池串联,组件效率为7.95%(图2b)。CTM损失主要体现在低并联电阻和高串联电阻导致的FF的下降。ITO功能层导电性不足以及底层硒化后产生的过厚硒化钼层(MoSe2)是导致高串联电阻的关键因素。因此团队进一步优化正极结构(图2a放大图;P1从7次减至6次,P2从8次减至6次),缩短电流在ITO与MoSe2层中的传输路径,降低串联电阻。结构优化组件(M-SM)效率提升至8.84%,进一步在表面沉积抗反射层(ARC)后,组件(M-SM-ARC)效率提升至9.88%(图2b)。另外,未封装的组件在室温、30%-50%湿度的室内环境中储存200天后,效率仍保持初始值的98%以上(图2c),展现出卓越的稳定特性,降低了实际应用中的封装成本与维护需求。

图3:CZTSSe组件效率认证以及新兴薄膜太阳能组件CTM损失对比。
最终,组件效率经国际权威认证机构NREL认证达到10.1%(图3a),创造了CZTSSe组件第一个纪录效率。进一步与钙钛矿、有机新兴薄膜电池及CIGS电池组件对比,发现CZTSSe组件的VOC损失仅为0.93%(几乎可忽略单电池与组件的缺陷复合差异),JSC损失仅7.03%(其中5.01%源于划线死区,2.02%为子电池电流匹配损耗),两项损失均为当前同类电池组件最低,证明溶液法制备的CZTSSe薄膜在大面积规模化过程中,仍能保持优异的均匀性与性能一致性。
论文揭示了CZTSSe薄膜均匀性差的根本原因,并通过控制结晶过程提高薄膜均匀性,优化组件结构降低电荷传输电阻,实现了CZTSSe组件效率的重大突破。该成果不仅验证了溶液法制备大面积均匀CZTSSe薄膜和高效太阳能组件的可行性,更为其他多元素无机半导体薄膜的低成本规模化制备提供了新思路,对柔性电子、光电器件等相关领域的技术发展也具有重要借鉴意义。(来源:科学网)
相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-025-01860-3