近日，《自然·能源》刊发南京邮电大学柔性电子全国重点实验室/化学与生命科学学院教授辛颢团队最新科研成果。该团队开创了一种全新的溶液化学调控多元化合物半导体材料性质的策略技术，在铜铟镓硒薄膜太阳能电池领域取得关键性突破，实现溶液法制备该类电池的最高转换效率。标志着我国在新一代薄膜光伏前沿赛道的强劲技术实力。
很多人的印象里，太阳能板都是厚重坚硬的平板，而铜铟镓硒太阳能电池是一种轻量化光伏发电技术。它吸光效果好、使用寿命稳定、耐辐射性好，还能做得又薄又软，可以弯曲变形，在太空光伏、建筑光伏发电一体化、类便携电子产品等方面具有广阔的应用前景。并且它的带隙可以通过合金化在很宽的范围内精准调控，同时满足叠层电池理想顶电池和低电池吸收层材料的要求，是光伏技术未来升级的重要方向。
据介绍，本项研究的技术核心逻辑就是在液体原料阶段搭建多元金属互联分子网络，从源头控制材料热分解和相变全过程，解决多元化合物材料容易产生杂质、元素分布偏析的问题。
相比真空工艺，溶液法制备铜铟镓硒薄膜路线是将铜、铟、镓的金属盐及含硫的化合物等原料溶解在溶剂中配制成前驱体溶液，再通过旋涂或刮涂等方式涂布到基底上，经热处理转化为含硫化合物薄膜。这种制备方法不需要高能耗真空设备，成本更低，也更容易实现大面积、连续化制备，是降低铜铟镓硒电池成本的重要途径。
然而，无论真空法还是溶液法，多元硫化合物薄膜的相演化过程复杂，制备均匀、单一相的薄膜一直是行业内非常棘手的难题。而对溶液法而言，溶液中多种金属络合物在热退火过程中自由碰撞、分解，正是导致杂相生成的关键。
针对这一环节，辛颢团队跳出传统研发思路，将着力点放在了溶液化学调控。在配制前驱体溶液时，选用可以提供乙酸根的前驱物(乙酸铜)作为合成铜铟镓硒的原材料之一，利用乙酸根可以同时形成氢键、配位键的“双重本领”，在溶液内部把铜、铟、镓多种组分相互锚定，构建多元金属分子网络结构。
通俗地说，在还没有做成固态薄膜之前，就在溶液中把各类原料安排好位置。后续成膜时，各种元素就可以按照设计好的路径反应，不容易产生杂质，得到质量高、性能好的电池薄膜。
依托这套完全源自溶液化学层面的创新，团队取得了电池器件性能的突破。基于该策略制备的铜铟硒电池效率达到了15.30%;铜铟镓硒电池效率达到了18.53%，经国家光伏产业计量测试中心认证达17.53%，刷新当前溶液法制备该类能电池的世界纪录。
尤为值得关注的是，团队尚未使用行业已经成熟的梯度带隙设计、碱金属掺杂、无镉缓冲层等优化手段，仅仅依靠前驱体溶液分子结构创新，就实现性能跨越式提升，充分证明这套化学键合调控策略拥有巨大的性能挖掘空间，后续还有很大的效率提升潜力。
据团队科研人员介绍，本次突破的意义远不止单一电池效率的提升，这一创新理论和设计思路并不仅仅局限于铜铟镓硒这一材料体系，还可以拓展到其他多元无机化合物薄膜光电器件的研发，对整个行业走出高成本复杂工艺的技术依赖，推动柔性、低成本薄膜光伏技术向前发展，加速清洁能源技术产业化落地有着重要意义。
