锌黄锡矿太阳能电池借助新的硒化方法达到12.01%的效率

中国科学院（CAS）采用一种新的硒化方法制备锌黄锡矿（Kesterite）太阳能电池，由此提高了电荷传输和功率转换效率。中国国家光伏产业计量测试中心（NPVM）已对研究结果进行了认证。

锌黄锡矿是目前最具潜力的新兴全无机薄膜光伏技术，基于不依赖关键原材料且可持续的解决方案。图片：Didier Descouens，维基共享资源

由中国科学院（CAS）领导的研究人员借助一种新的硒化方法设计了锌黄锡矿（CZTSSe）太阳能电池，并称这种方法可以帮助直接、快速地形成锌黄锡矿相，从而改善吸收剂薄膜中的电荷输运特性。作为最具潜力的吸光材料之一，锌黄锡矿可以用于低成本的薄膜太阳能电池。锌黄锡矿内含铜、锡、锌和硒等常见元素。不同于铜铟嫁硒（CIGS）化合物的是，这种材料预计未来不会出现供应瓶颈。

但在大规模生产中，锌黄锡矿的效率仍然低于CIGS。日本薄膜电池组件制造商Solar Frontier于2013年在大面积器件上创造了这种电池效率的世界纪录，即12.6%。

科学家们表示，他们采用双温区硒化法实现了固液/固气协同硒化反应策略。

他们解释道：“我们引入大量液态硒（Se）促进固液反应途径，而高化学势的硒能够帮助直接、快速地形成锌黄锡矿相。在后续阶段，硒的冷凝和挥发协同调节改善了晶体生长，并强化了有机残留物的去除效果。”

他们还解释说，这种策略需要在前驱膜上预沉积足量的液态硒，以促进液相辅助的相演化和晶体生长。后续硒挥发的协同控制旨在平衡薄膜结晶和有机物去除。

研究团队制作的这款电池包括一个基于锌黄锡矿薄膜（且因此减小了体积和界面缺陷）的吸收剂层、硫化镉（CdS）缓冲层、氧化锌（i-ZnO）窗口层、氧化铟锡（ITO）层和基于氟化镁（MgF2）的抗反射涂层（ARC）。该装置的孔径面积为0.2627平方米、指定照射面积为?1.066平方米。

研究人员在标准光照条件下测试发现，这种电池达到了13.6%的峰值功率转换效率。中国国家光伏产业计量测试中心（NPVM）已认证其效率为13.44%。

而在1.09平方米的大面积器件上展开测试发现，这种电池技术实现了12.1%的认证效率。

科学家们在发表于《自然通讯》期刊上的“通过控制硒化平衡实现用于高效太阳能电池的优质锌黄锡矿吸收剂”一文中介绍了这一全新的电池设计。

展望未来，研究人员们计划开发新的策略来控制锌黄锡矿材料中的固气/固液反应。“总的来说，我们的工作代表了在精准调控硒化反应过程和多相反应途径方面作出的积极努力。”他们总结道。