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薄膜太阳能电池领域研究取得突破性进展。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》，DOI: 10.1038/s41560-025-01860-3），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。

　　团队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，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非理想接触和图案化导致的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。

(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。

　　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。

　　针对这一难题，研究团队首先探究了造成CZTSSe薄膜均匀性差的根源。发现硒化初期薄膜表面过早形成致密结晶层，严重阻碍了硒蒸气渗透到薄膜内部，导致晶粒在纵向和横向组分和结晶性的不均匀。通过调控溶液中硫脲和金属比例（Tu/M 从1.5增加到1.7），有效增加了前驱膜孔隙率，更疏松的结构不仅促使硒元素在硒化过程中充分渗透至薄膜内部，而且为横向晶粒生长提供了空间，从而显著提升了薄膜均匀性与表面平整度，将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%。该条件制备的大面积CZTSSe薄膜仍保持了优异的均匀性，组件效率达到8.91%。进一步通过组件结构优化缩短了电流沿低导电性ITO通道和高电阻MoSe₂层的传输路径，提高了填充因子和组件效率，认证效率达10.1%（有效面积10.48 cm2）。该组件的开路电压和电流密度CTM损失均低于钙钛矿、有机和铜铟镓硒薄膜电池。

　　该工作不仅实现了CZTSSe组件的重大突破，同时证明溶液法制备大面积均匀多元无机化合物薄膜的可行性，为高性能多元无机化合物薄膜太阳能电池及其组件的溶液加工制备提供了一条清晰可行的技术路径，为绿色、低成本光伏技术的产业化提供了切实可行的方案。

　　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等项目的资助。

（撰稿：辛颢、王少荧　初审：乔祖琴、戴修斌　编辑：王存宏　审核：张丰）