南京邮电大学，Nature Energy！

研究背景

太阳能电池（PV）在推动社会向脱碳转型中扮演着核心角色，迫切需要开发绿色、经济且可持续的解决方案，尤其是在便携、柔性及半透明PV等新兴应用领域。薄膜太阳能电池因其大面积、可扩展的溶液法制备兼容性，成为下一代光伏技术的前沿。硫硒锡铜锌（CZTSSe）作为一种环境友好、高理论效率和卓越稳定性的新兴薄膜吸光材料，通过溶液法制备有望实现绿色低成本的光伏技术。

关键问题

然而，CZTSSe的研究主要存在以下问题：

1、多元素无机薄膜溶液法制备的均匀性挑战

溶液法制备多元素无机薄膜时，结晶过程存在复杂相演化和晶粒生长问题。两步法易产生多相熔融反应，形成不均匀薄膜，伴随高成分和电子波动。硒化初期，致密顶层快速形成阻碍硒渗透，导致垂直结晶不均匀，影响整体均匀性。

2、模块化放大中存在效率损失

CZTSSe单电池虽效率突破，放大至组件时面临可扩展性和适用性挑战。此前组件效率仅4.3%，CTM损耗高达56.81%，因吸光层不均匀、工艺待优化。低导电性ITO、MoSe₂层及非理想划线接触，导致串联、并联电阻高，填充因子损失严重。

新思路

有鉴于此，南京邮电大学辛颢教授、黄维院士和王少荧教授等人报道了从溶液中制备均匀、大面积的Cu₂ZnSn(S, Se)₄ (CZTSSe )薄膜和太阳能组件。通过调节硫脲/金属比例来增加薄膜孔隙率-从而促进更均匀的垂直反应和横向晶粒生长，改善了CZTSSe薄膜的均匀性，并实现了13.4 %的单电池效率和8.91 %的太阳能模块效率。作者进一步优化了模块结构，以减少非理想接触和图案化引起的分流和阻性损耗，最终获得了国家可再生能源实验室认证效率为10.1 %的冠军CZTSSe模块。该模块在开路电压和电流密度方面也表现出了目前最先进的新兴薄膜太阳能模块中最低的电池到模块的损耗。该工作证明了溶液法制备均匀、大面积CZTSSe薄膜和高效太阳能组件的可行性，推进了该技术的发展。

技术方案：

1、证实了溶液法制备CZTSSe的均匀性

作者通过提高Tu/M比例至1.7，制备了多孔前驱体薄膜，改善CZTSSe薄膜均匀性，提升单电池性能，平均PCE达13.40%，标准偏差降至0.13%。

2、验证了模块性能和稳定性

研究人员基于高均匀性CZTSSe薄膜制备组件，优化结构降低电阻，最终冠军模块效率达9.88%，200天后效率保持98%以上。

3、表征了冠军组件及CTM损耗

M-SM-ARC组件获NREL认证效率10.08%，CTM_VOC和CTM_JSC损耗最低，但CTMFF损失大。未来优化工艺有望突破15%效率。

技术优势：

1、通过前驱体组分调控实现了高均匀性CZTSSe薄膜及高效率单电池

本研究创新性地通过增加前驱体溶液中的硫脲含量，制备出多孔前驱体薄膜，有效解决了硒渗透不均导致的垂直结晶不均匀问题。这一策略显著改善了CZTSSe薄膜的形态和成分均匀性，将单电池平均效率从12.39%提高到13.40%。

2、制备了10.1%认证效率的CZTSSe组件，并实现最低CTM V_OC和J_SC损失

通过优化模块结构设计和应用增透膜，研究成功制备出获得NREL认证的10.1%效率CZTSSe太阳能组件。该组件在开路电压和电流密度方面的电池到组件损失是目前新兴薄膜太阳能组件中最低的，且未经封装在环境空气中暴露200天后仍保持98%以上的效率。

技术细节

溶液法制备CZTSSe的均匀性

研究指出，传统参考条件（Tu1.5）下制备的CZTSSe薄膜均匀性差，根源在于硒化早期致密顶层的快速形成，阻碍了硒的渗透，导致垂直结晶不均匀。为解决此问题，研究团队采取了关键策略：将硫脲（Tu）与金属（M）的比例提高至1.7（Tu1.7），成功制备出多孔前驱体薄膜。这种多孔结构在硒化初期能形成疏松的顶层，使得硒能充分渗透到薄膜内部，并为横向晶粒生长提供充足空间，最终实现了均匀致密、大晶粒、表面平整的CZTSSe薄膜。通过多种表征技术（如TOF-SIMS、EDS、SEM和XRD），证实了Tu1.7薄膜在元素分布、晶粒尺寸分布和结晶度方面均显著优于Tu1.5。这些改进直接提升了单电池性能，使得Tu1.7器件的平均功率转换效率（PCE）达到13.40%，PCE标准偏差也从0.29%大幅降至0.13%，有效验证了薄膜均匀性策略的成功。

图  溶液处理锌黄锡矿太阳能电池的均匀性

模块性能和稳定性

基于高均匀性的CZTSSe吸光薄膜，作者在4 cm×4 cm的衬底上成功制备了包含六个串联子电池的标准结构CZTSSe组件。初始模块（M）的效率为7.95%，在应用增透膜（ARC）后，效率提升至8.91%（M-ARC）。然而，分析表明主要的电池到组件（CTM）损耗来自填充因子（FF）的降低，这主要归因于ITO导电性差、较厚的CZTSSe吸光层和MoSe₂层带来的高串联电阻以及低并联电阻。为应对这些挑战，作者重新设计了模块结构，通过减少P1和P2的划线次数来缩短电流沿ITO通道和穿过MoSe₂层的路径。这项结构优化显著降低了串联电阻，进而提升了FF和模块效率。最终的冠军模块（M-SM-ARC）获得了实验室测得的9.88%PCE，并展现出卓越的稳定性，在未经封装的环境空气中储存200天后仍保持超过98%的原始效率。

图  锌黄锡矿太阳能组件和稳定性

冠军组件及CTM损耗

最终优化的M-SM-ARC组件被送至美国国家可再生能源实验室（NREL）进行认证，获得了10.08%的认证效率，开路电压为3.185V，短路电流为57.23mA，填充因子为57.93%。通过与钙钛矿、有机和真空法CIGS等新兴薄膜组件的对比，该CZTSSe组件在开路电压（CTM_VOC，仅0.93%）和电流密度（CTM_JSC，7.03%）方面的电池到组件损耗是最低的。这主要得益于通过溶液化学调控实现的CZTSSe吸光薄膜的高均匀性，表明单电池与组件之间的缺陷辅助复合差异可忽略不计。然而，最大的效率损失来自于填充因子（CTMFF，18.8%），几乎是其他三种薄膜组件的三倍。模拟结果进一步证实，模块化过程中引入的电阻效应（如ITO导电性差、非理想划线和接触导致的额外电阻和并联）是导致CTMFF损失的主要原因。研究展望，通过进一步优化模块制备工艺来解决高电阻问题，CZTSSe组件的效率有望在未来超越13%，甚至突破15%。

图  锌黄锡矿模块和CTM损失的证明

展望

总之，本研究通过控制晶化和调整溶液中Tu含量，优化CZTSSe薄膜结构，提高其均匀性和电荷传输效率，使单电池平均效率从12.39%提升至13.40%，标准偏差从0.29%降至0.13%。放大后，组件效率达8.91%，且结构修改降低了电流传输损耗，展现出高稳定性和低损耗特性，即便在未封装状态下暴露于空气中200天，效率仍保持98%以上，但组件仍受高电阻限制。该研究展现了溶液处理无机半导体材料在薄膜光伏等光电器件中的应用潜力。

参考文献：

Xiang, C., Yuan, M., Ding, C. et al. Solution-processed kesterite solar module with 10.1% certified efficiency. Nat Energy (2025).