我國(guó)無(wú)機(jī)光伏材料薄膜化研究獲進(jìn)展

中化新網(wǎng)訊 近日，從南京郵電大學(xué)傳來(lái)消息，該校柔性電子全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃維院士和辛顥教授團(tuán)隊(duì)，用溶液法獲得大面積“銅鋅錫硫硒”光伏薄膜，并以10.1%的光電轉(zhuǎn)化效率，驗(yàn)證了無(wú)機(jī)化合物制備柔性光伏材料的產(chǎn)業(yè)化潛力。研究成果9月15日在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·能源》。

據(jù)辛顥介紹，第一代光伏材料晶體硅質(zhì)地堅(jiān)硬，當(dāng)前光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)是將光伏材料變得柔軟、輕薄，甚至可以縫在衣服上。鈣鈦礦等新一代光伏材料雖然容易制成薄膜，但性能尚不穩(wěn)定。在此背景下，第二代光伏材料“銅銦鎵硒”重回研究人員視野。

“‘銅銦鎵硒’因薄膜良品率低，且銦和鎵的成本高，長(zhǎng)期沒(méi)有突破。”辛顥表示，2021年，她和團(tuán)隊(duì)將銦和鎵換成鋅和錫，又用溶液法取代傳統(tǒng)的真空法，制備出0.1平方厘米的“銅鋅錫硫硒”（CZTSSe）光伏薄膜，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到13%。

然而，與溶劑揮發(fā)過(guò)程中或在溶液中可直接形成目標(biāo)結(jié)構(gòu)的有機(jī)或鈣鈦礦薄膜不同，CZTSSe薄膜溶液法制備過(guò)程包括前驅(qū)膜沉積和高溫硒化結(jié)晶兩個(gè)關(guān)鍵步驟，結(jié)晶過(guò)程涉及復(fù)雜的相演化和晶粒生長(zhǎng)，因此溶液法制備多元無(wú)機(jī)化合物薄膜仍存在挑戰(zhàn)，尤其是實(shí)際應(yīng)用于大面積均勻薄膜制備及高效太陽(yáng)能組件時(shí)。國(guó)際上通常認(rèn)為，光伏組件的面積超過(guò)10平方厘米光電轉(zhuǎn)化效率才有實(shí)際意義，可隨著薄膜面積放大，光電轉(zhuǎn)化效率會(huì)大幅降低。

經(jīng)過(guò)4年多研究，團(tuán)隊(duì)在溶液法獲得大面積均勻CZTSSe制備薄膜和紀(jì)錄效率太陽(yáng)能電池組件的過(guò)程中，揭示了制約CZTSSe薄膜均勻性的原因，并通過(guò)調(diào)控溶液組分提高薄膜孔隙率促進(jìn)垂直方向均勻結(jié)晶和橫向晶粒生長(zhǎng)，提高了薄膜均勻性和組件效率。團(tuán)隊(duì)經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，精準(zhǔn)調(diào)控溶液“配方”，進(jìn)一步提高薄膜孔隙率，讓結(jié)構(gòu)更疏松，以便硒充分滲入，改善了組件薄膜均勻性與表面平整度，成功制備出有效率面積達(dá)10.48平方厘米的光伏組件。

經(jīng)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）認(rèn)證際權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)試，該組件的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到10.1%，創(chuàng)造了CZTSSe組件首個(gè)世界紀(jì)錄，并被國(guó)際《太陽(yáng)能電池效率表》正式收錄。

黃維院士表示，“銅鋅錫硫硒”技術(shù)路線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)在于原料儲(chǔ)量豐富、無(wú)毒、成本低，此次研究成果標(biāo)志著用溶液法制備無(wú)機(jī)柔性光伏材料不僅在理論上可行，而且具有產(chǎn)業(yè)化潛力。