提到太阳能电池，很多人首先想到的是屋顶上的深蓝色硅板。但其实，科学家们一直在寻找更便宜、更环保、原材料更充足的新一代太阳能技术。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究团队在一种新型太阳能电池材料上，实现了超过15%的光电转换效率，并获得了国际权威机构认证。相关研究成果在国际能源与材料领域学术期刊《自然·能源》发表。
据了解，这项技术的核心材料叫：铜锌锡硫硒太阳能电池（简称CZTSSe）。其材料来源广泛，主要元素在地壳中储量丰富，不依赖稀有金属，材料成本低；其次溶液法制备，制备成本低；薄膜电池，材料用量低；另外，该材料还安全环保，不含有毒元素，适合大规模应用，在复杂环境中依然能保持性能。正因为这些优势，铜锌锡硫硒太阳能电池被认为是非常有潜力的下一代太阳能电池技术。
△图1：CZTSSe太阳能电池图片
虽然这种材料“底子很好”，但长期以来有一个关键难题困扰着科研人员——在高温制备过程中，材料内部的金属离子容易“乱跑”。我们可以把它想象成盖房子时，砖和钢筋在施工过程中自己乱移动，结果房子结构不稳，性能自然就上不去。这也是为什么CZTSSe太阳能电池的效率一直难以突破的重要原因。
为了解决这一问题，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究团队在材料内部引入一层“界面相”作为“交通指挥员”。这层名为Li2SnS3的特殊结构，可以在关键反应过程中引导金属离子按照正确路线移动，让晶体结构更加均匀、稳定，就像把“乱跑的材料”重新排好队。
△图2：Li2SnS3界面相调控金属离子迁移示意图
这一方法能够让晶粒长得更大、更整齐，明显减少了材料内部的缺陷，从根本上提升了电池的发电能力。在这一新机制的帮助下，研究团队取得了一系列重要成果：光电转换效率达到15.45%；国际权威认证效率15.04%；在较窄带隙条件下，开路电压首次突破600mV，为解决该类型光伏器件的性能瓶颈提供了新思路。从材料生长机理层面，首次系统解释了“离子迁移—缺陷—性能”之间的关系，这些成果为未来的产业化应用打下了坚实基础。随着全球能源转型加速，这项成果有望在未来的清洁能源体系中发挥重要作用，为绿色低碳发展贡献新的方案。
