中国科学院物理研究所石将建/孟庆波Joule：铜锌锡硫硒薄膜光伏首个>15%纪录效率

2026-03-27 11:19

上海

物质科学

Physical science

近日，Cell Presss细胞出版社旗下期刊Joule在线发表了中国科学院物理研究所孟庆波团队在无机薄膜太阳能电池领域的最新研究成果，题为 “Suppressing defects in Kesterite solar cells via balanced phase evolution to enable 15.1% certified record efficiency”。

该工作围绕铜锌锡硫硒(以下简称CZTSSe)薄膜太阳能电池长期受限的缺陷调控难题，提出了一种Na活化硒化策略，通过调控硒化过程中关键中间相的形成与演化平衡，显著抑制了与Zn位替代相关的有害缺陷，显著降低器件电压损失，最终在该领域实现了首个超过15%的认证光电转换效率 (认证效率：15.1%，认证时间：2024年4月，NREL和PIP权威光伏统计收录)，以及目前为止最低VOC损失 (Eg-VOC，0.52V，认证器件，数据可追溯和验证)。该工作从机理上建立了通过动力学调控相演化来抑制缺陷形成的新思路，为kesterite材料结晶过程理解和调控提供了新的启发。

研究背景：缺陷问题是制约CZTSSe效率提升的核心瓶颈

CZTSSe太阳能电池元素组成地壳丰度高、环境友好，兼具低成本与可持续发展潜力，被认为是极具前景的新型无机薄膜太阳能电池。然而，这类材料属于多元化合物体系，组分复杂、相演化路径多样，在制备过程中极易形成多种本征缺陷，进而带来严重的非辐射复合和开路电压损失。长期以来，如何精准理解并有效调控缺陷形成，始终是限制CZTSSe器件效率进一步提升的关键科学问题。

近年来，越来越多研究表明，CZTSSe中的SnZn、CuZn等反位缺陷是导致性能损失的重要根源，而且这些缺陷并不是在最终薄膜形成后“静态出现”的，而是与硒化结晶过程中中间相的生成、转化和耦合密切相关。也就是说，要真正降低缺陷，不能只关注最终产物本身，还必须回到材料形成过程，理解其结晶演化动力学特性。

相演化失衡诱发Zn相关缺陷形成

在这项工作中，研究团队首先从Cu-Zn-Sn-Se多元体系的相图与反应平衡关系出发，重新审视了硒化结晶过程中关键中间相的演化路径。研究发现，在Zn进入最终CZTSSe主相的过程中，必须经过与Cu2SnSe3（CTSe）的反应；但与ZnSe相比，CTSe的形成需要更高的温度和更高的Se浓度，因此其出现往往明显滞后。实验结果进一步证实了这一点：较低温度下即可形成ZnSe，而CTSe则要到更高温度才开始出现。在此滞后过程中，ZnSe会在体系中持续积累和生长，逐渐失去与CTSe反应演化的高活性。研究团队据此提出，CTSe相对于ZnSe的延迟形成，是诱发Zn相关缺陷的重要根源之一。

图1 非平衡相演变与缺陷形成之间的关联

Na活化硒化促进关键中间相协同演化

针对CTSe形成滞后的问题，研究团队提出了一种Na活化的硒化策略。该策略的核心，是在硒化前预先构建具有更高反应活性的Na-Sex化合物，再将其引入后续硒化过程，以提高Se源活性并重塑关键中间相的形成动力学。研究表明，这一策略能够显著促进CTSe在更低温度下生成，从而缩小其与ZnSe之间的形成时差，使两者更早进入协同反应状态，推动ZnSe-CTSe向CZTSSe主相的快速和平衡演化。这种动力学调控有效减少了ZnSe的持续累积，使更多Zn以更高活性参与相融合过程，从而抑制与Zn替代相关的有害缺陷形成。

图2 Na活化硒化策略平衡相演化

缺陷与载流子动力学得到同步改善

在实现CTSe与ZnSe平衡演化后，薄膜中Zn相关缺陷得到有效抑制。导纳谱和拉曼光谱结果表明，目标样品中CuZn、SnZn等替位缺陷浓度明显降低，缺陷复合活性也显著减弱。与此同时，低温PL、温度依赖VOC、m-TPV/m-TPC及EL等测试进一步说明，器件中的非辐射复合被有效抑制，载流子寿命延长，电荷传输与收集能力同步提升。也就是说，平衡相演化不仅优化了材料结晶过程，更从缺陷和电荷动力学两个层面共同改善了器件性能。

图3 缺陷与电荷动力学表征

效率突破：CZTSSe太阳能电池认证效率达到15.1%

材料与缺陷层面的优化最终体现在器件性能的全面提升上。基于该策略制备的CZTSSe太阳能电池，其平均效率由约13.5%提升至约15%。在最佳器件中，研究团队获得了15.5%的效率。最大功率点跟踪结果表明，该器件在300s内能够稳定输出15.5%的稳态效率。进一步经第三方权威机构测试后，器件实现了15.1%的认证效率，标志着CZTSSe太阳能电池正式突破长期以来被视为商业化门槛的15%效率节点。这是CZTSSe电池首个超过15%的认证光电转换效率，并被权威光伏统计NREL和PIP作为该领域纪录效率先后收录。

此外，认证器件的外量子效率积分电流达到40.3mA cm-2，有效带隙约为1.05eV，对应VOC损失降低至0.52V，这是目前为止VOC损失的最低值 (数据可追溯和验证)。与Shockley-Queisser极限比较后发现，该认证器件的VOCFF/VOCSQFFSQ值首次超过0.55，达到0.56，说明其在关键光伏性能指标的协同提升方面取得了重要进展。

图4 器件光伏性能表征