近日，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黄维院士、辛颢教授团队在铜锌锡硫硒（CZTSSe）薄膜太阳能电池领域研究取得突破性进展。团队用溶液法获得大面积铜锌锡硫硒光伏薄膜，并以10.1%的光电转化效率，验证了无机化合物制备柔性光伏材料的产业化潜力。

相关成果于北京时间9月15日以"Solution-processed kesterite solar module with 10.1% certified efficiency"为题发表在国际学术期刊Nature Energy（《自然·能源》）上。南京邮电大学为唯一通讯单位，黄维院士、辛颢教授以及青年教师王少荧为论文共同通讯作者，博士研究生相春旭和硕士研究生袁明君为共同第一作者。

辛颢教授介绍，第一代光伏材料晶体硅质地坚硬，当前光伏领域的研究热点是将光伏材料变得柔软、轻薄，甚至可以缝在衣服上。钙钛矿等新一代光伏材料虽然容易制成薄膜，但性能尚不稳定。在此背景下，第二代光伏材料“铜铟镓硒”重回研究人员视野，但“铜铟镓硒”因薄膜良品率低，且铟和镓的成本高，长期没有突破。

2021年，辛颢教授和团队将铟和镓换成地壳储量更加丰富的元素锌和锡，致力于具有高吸收系数以及高稳定性的铜锌锡硫硒光伏材料与器件的研究。并采用溶液法——类似于配制一种含有铜、锌、锡等元素的“特殊墨水”，将其涂覆在基板上形成前驱膜，再经过加热硒化处理，取代传统的真空法，制备出0.1平方厘米的CZTSSe光伏薄膜，光电转化效率达到13%。但国际上通常认为，光伏组件的面积超过10平方厘米，光电转化效率才有实际意义。但CZTSSe的薄膜溶液法制备需经历前驱膜沉积和高温硒化结晶两个阶段，结晶过程复杂，大面积均匀成膜及其组件集成一直是该领域面临的重要挑战。

辛颢（中）和学生探讨优化光伏组件性能

经过4年多研究，团队发现硒化初期薄膜表面过早形成致密结晶层，阻碍硒蒸气向内部渗透，导致结晶不均匀。通过将溶液中硫脲与金属比例（Tu/M）从1.5提高至1.7，有效增加了前驱膜孔隙率，使硒化更充分，并为晶粒生长提供空间，从而显著提升了薄膜均匀性与平整度。基于该策略，单节电池平均效率从12.4%提升至13.4%，标准偏差由0.29%降至0.13%，所制备的大面积组件效率达到8.91%。

(a) 前驱体溶液照片，(b) CZTSSe太阳能电池结构示意图，(c) 不同组分溶液（Tu1.5，Tu1.7）制备的前驱薄膜与吸收层薄膜在不同硒化阶段的表面及截面SEM图像，(d) Tu1.5与Tu1.7太阳能电池光伏参数统计图，(e) 经NREL认证的效率为10.08%的CZTSSe组件I-V曲线图，(f) 认证组件正面照片，(g) 薄膜太阳能电池组件（钙钛矿、有机、铜铟镓硒（CIGS）、CZTSSe组件）CTM（Cell to Module）损失对比。

通过进一步优化组件结构，缩短电流传输路径，减少电阻损耗，团队成功制备出有效面积达10.48平方厘米的光伏组件，经美国国家可再生能源实验室（NREL）认证，其光电转化效率达到10.1%，成为CZTSSe领域第一个正式认证的组件世界纪录，并被国际《太阳能电池效率表》正式收录。

10.48平方厘米薄膜光伏组件实物

黄维院士表示，“铜锌锡硫硒”技术路线的优势在于原料储量丰富、无毒、成本低，此次研究成果标志着用溶液法制备无机柔性光伏材料不仅在理论上可行，而且具有产业化潜力。

该工作得到了国家重点研发计划项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、国家自然科学基金、江苏省研究生科研实践创新项目、柔性电子全国重点实验室主任基金等项目的资助。

来源：校园网主页、新华社客户端、南京邮电大学公众号