中央纪委国家监委网站 初英杰 通讯员 张大川

中国科学院物理研究所清洁能源实验室内的国产实验设备。中国科学院物理研究所提供

　　探索太空，需要什么样的能源？未来，一种应用了新型薄膜——铜锌锡硫硒（CZTSSe）的太阳能电池会是个好选择。

　　铜锌锡硫硒以地球上几种较为常见且储量丰富的元素为原材料，不仅成本低、环境友好，而且性能稳定、抗太空辐照，是全球公认极具发展潜力的下一代太阳能电池材料。

　　中国科学院物理研究所清洁能源实验室孟庆波研究员团队历经十余年攻关，今年3月公布再次取得新突破，将CZTSSe太阳能电池的认证效率（由国际级或国家级权威机构检测并收录的电池光电转换效率，是衡量技术领先性的核心标准）提升至16.6%，并被国际公认光伏统计体系收录。这是该团队连续第10次刷新这一领域的世界纪录，标志着我国在新型薄膜光伏领域实现全球领跑，相关技术迈过可产业化关键门槛。该团队还完成了高性能柔性CZTSSe太阳能电池及组件的研制，为该技术的实际应用奠定了坚实基础。

　　据介绍，CZTSSe太阳能电池未来批量制备后，可广泛应用于便携式能源系统、移动装备供电以及卫星、空间能源平台和深空探测等，助力新型能源体系建设和空间能源发展。

　　如何运用地球上的常见元素，为人类“飞”向太空、开展深空探测编织“阳光翅膀”？接连创纪录的背后，科研人员攻克了哪些难关？

　　“骨头越硬，机会越大”

　　逆行而上，以不服输的劲头沉下心来攻关

　　在世界范围内，与CZTSSe太阳能电池相关的研发历史不算太久。

　　据孟庆波介绍，上世纪60年代，国外科学家在实验室里首次人工合成铜锌锡硫（CZTS）晶体。20年后，日本研究人员在实验室制备出CZTS薄膜，发现其光吸收系数非常高，可作为极好的光伏吸收层材料。1997年，世界首个CZTS薄膜太阳能电池器件诞生，但光电转换效率只有0.66%。

　　如此低的光电转换效率，使得这种材料在多年间都未引起广泛关注。当时，关于无机多元薄膜光伏的研究绝大多数聚焦于铜铟镓硒（CIGS）。这是一种光电转换效率较高的材料，但“缺点”也很明显——核心元素铟和镓是稀有金属。随着电子工业加速发展、光伏产业爆发式增长，国际市场对铟和镓的需求飙升，原料供给紧张。如果未来光伏装机规模迈向太瓦（10亿千瓦），铟和镓资源的紧缺显然会给发展带来较大的阻碍。

　　能不能用常见金属锌和锡，换掉铟和镓？国内外一些科研团队又转向CZTS薄膜赛道，国际上开始探索CZTSSe材料的溶液方法合成和薄膜制备，相关研发成为热点。

　　但在早期探索中，光电转换效率还是迟迟难以提升。当美国一个研究团队将CZTSSe的光电转换效率提升到12.6%时，在科学界和业界引起了巨大轰动。然而，后来效率提升进入“停滞期”，多年一直在12.6%至13%区间徘徊。有的研究团队认为“此路不通”，纷纷撤离，转向其它研究。

团队研制的柔性铜锌锡硫硒组件。中国科学院物理研究所提供

　　在这样的形势下，孟庆波带领团队于2015年启动了铜锌锡硫硒研究。那时，该团队已经在染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池领域有了很多研究成果，为什么要“逆行而上”去啃这块国际公认的“硬骨头”？

　　“骨头越硬，机会越大。”孟庆波说。

　　这种材料本身优势显著：元素较为常见，且储量丰富；成本较低；无毒，对环境友好；性能稳定，抗太空辐照；薄膜化工艺与薄膜光伏产业兼容。如果能将这种材料大规模应用于光伏产业，对于推进能源转型、保障国家能源安全具有重要意义。

　　是什么限制了CZTSSe光电转换效率提升？他们以不服输的劲头展开严谨的科学分析，发现问题出在材料的微观缺陷上。该材料属于多元化合物体系，组分复杂，原子排布无序，内部能量损耗较大。此前很多研究团队将精力集中在材料的化学合成、结构改善方面，而未涉及对于微观缺陷的精细调控。

　　凭借中国科学院物理研究所的基础研究优势，该团队瞄准材料结晶、原子结构、缺陷调控等，沉下心来攻关，弄清了材料结晶和原子排列的规律，开发了新的技术路径，运用精确调控把铜、锌和锡原子引导回各自应该待的位置，从根源上减少了缺陷和能量损耗。

　　“科学研究哪有什么神话”

　　坚持创新，遇到一个难题就解决一个难题

　　2022年年底，该团队将CZTSSe的权威认证效率提升到13.6%，一举冲破国际上近10年的“停滞期”。此后数年间，该团队持续发力，接连实现认证效率跨越式跃升，还同步完成了器件放大与柔性组件构建。自2023年起，相关研究成果连续5次发表于国际著名的能源期刊《自然·能源》。

　　按照规律，在薄膜光伏领域效率达到15%至16%就摸到了产业化的门槛。但该团队并没有止步于16.6%。

　　在中国科学院物理研究所清洁能源实验室，一位年轻人匆匆从记者和孟庆波身边经过，闪进一个房间，在实验设备前忙碌起来。

　　“他是我们这次效率突破16.6%的大功臣。”孟庆波站在房间门口高声询问：“效率再上一个百分点，多久能突破？”年轻人笑眯眯地转身，胸有成竹地回答：“3个月。”

　　孟庆波说，团队给自己定的目标是在今年内将电池单体效率提高到17%以上。

　　10余年间势如破竹，10次刷新世界纪录，多次实现权威认证效率突破，堪称传奇。

孟庆波（左）为团队成员提供指导。中国科学院物理研究所提供

　　“科学研究哪有什么神话。每一项纪录都不是简单的数字变化，这背后我们经历了无数次失败、绝望，以及逼着自己拼命在绝境中寻找新方法、新技术的过程。”孟庆波说，老一辈科学家给予了他们很多关爱和帮助，物理研究所各届领导给予了很多鼓励与支持，所里包容、和谐的氛围为研究提供了良好的环境。此外，研究进程中，还离不开国内外同行的合作和支持。

　　他们的探索历程目前分为三个阶段，每个阶段都有难关要跨越。

　　打基础阶段，他们摸清了材料的“脾气”，将认证效率提高到12.8%左右。

　　突围阶段，新问题出现了：一进高温硒化炉，材料内部的原子又开始“乱跑”，效率提升再次陷入停滞。他们从硒化反应动力学出发，首创微高压辅助硒化技术，简化了多元反应，又进一步开发了多元合金化和原子有序化调控方法，认证效率先后达13.6%、14.9%。

　　优化与重塑阶段，他们持续聚焦缺陷调控，引入碱金属全局介导技术，更精准地抑制缺陷形成；持续优化半导体界面，保障电荷能在两层薄膜之间顺利传输。认证效率先是达到15.1%，又跃上16.6%。

　　提到引入碱金属全局介导技术，孟庆波介绍：“在高温结晶时，材料内部会发生纳米尺度的组分波动，就像埋下了成千上万个‘微观暗堡’，导致缺陷形成。我们发现，在高温硒化过程中，科学配比的碱金属能在原子运动的‘前线’充当‘协调员’，拉平铜、锌、锡三种阳离子与硒反应的速率。这种技术能确保正确的原子待在正确的位置，使光电转换效率实现跨越式提升。”

　　他们用事实和数据证明，CZTSSe材料中所谓的“缺陷和无序”这座大山可以被跨越，多元素多晶薄膜的微观缺陷可以被“精准手术”治愈。

　　一路走来，该团队一步一个脚印，坚持创新，遇到一个难题就解决一个难题，遇到一个难关就攻下一个难关。多名成员表示，团队中最可贵的是大家拧成一股绳，遇到问题共同研究解决、解题经验互相交流分享，相互扶持一起向前蹚路，越走越稳。

　　“为全球能源转型提供‘中国方案’”

　　继续深化研发，联动各方加快产业化进程

　　刷新纪录不是研发的最终目的。从一开始，该团队就聚焦推进科技成果的转化应用，从薄膜制备的技术路径选择，到实验操作规范，再到工艺流程的不断优化，每一个环节，团队都反复衡量是否便于以后实现技术大规模推广应用。

　　“研究过程中，每一个遇到过的问题及解决办法都有记录，每一步操作流程都形成了规范。我们系统化推进，为向上攀登打牢基础。”团队骨干、副研究员石将建说，与实验室操作不同，产业化大规模制造面临更多更复杂的问题，因此他们要预判大规模推广应用中有可能出现的问题，提前做好防范。

　　除了研究，石将建还在团队内承担了与实验设备研发相关的工作。这也是在为后面大规模推广应用做准备。他自豪地说：“国内制造的设备完全能满足实验需求。”

孟庆波（中）与团队部分成员。中国科学院物理研究所提供

　　在此次刷新纪录的过程中，该团队还完成了高性能柔性CZTSSe太阳能电池及组件的研制。

　　柔性器件虽“软”，研制过程却非常“硬核”。

　　“我们要让CZTSSe太阳能电池能‘弯’起来、‘卷’起来，还要让它在面积放大，经历高温、长期服役之后，依然能保持高效率和高可靠性。”孟庆波说，这是一场涉及材料学、化学、物理、器件工程和精密激光加工的“跨界综合战役”，前面挡着一个个难关——

　　CZTSSe的硒化温度高达550摄氏度，快速升温、降温过程中，各部分之间热膨胀程度不同，会导致薄膜内部积累较大的残余应力，有可能诱发大量微裂纹、界面空洞甚至局部剥离等微观缺陷，严重影响器件性能和长期可靠性。

　　不同于在实验室里做一个小电池，大面积柔性组件研制过程中任何微小波动都会被不断放大，局部问题会通过串联结构产生“木桶效应”，进而影响整体性能。

　　既要“柔性”，又要兼顾高效率和大面积制造，而传统玻璃组件的封装和串联方式并不完全适用，需要寻找适合柔性体系的组件路线……

　　该团队接连攻克了“热膨胀失配带来的应力积累与微裂纹”“大面积放大的‘木桶效应’与均一性控制”等问题，找到了合适的组件放大路线，顺利完成研制，为未来可穿戴电子设备、建筑光伏一体化以及空间能源等应用打开了新的可能。

　　据该团队描述，随着高性能柔性CZTSSe太阳能电池的应用，未来人们会发现，建筑外墙能发电，摩天大楼变成了一座座直立的“绿色发电厂”；新能源汽车不必有“续航焦虑”，贴合在车身上的电池能为其提供充足能源；人们的背包、帐篷、遮阳伞等户外用品，摇身一变成为轻盈的“充电宝”……

　　当下，全球能源转型步伐加快。在航空航天等领域，随着深空探测、低轨卫星互联网等重大工程的推进，太空算力布局的加速，对太阳能技术提出了“高效率、低成本、长寿命、轻质化、资源可持续”的新要求。叠加多种优势的CZTSSe太阳能电池，未来将在地面清洁能源和太空大规模能源应用中大有作为。

　　接下来，该团队将继续深化基础研究、推进技术研发，联动各方，加快产业化进程。孟庆波说：“用地球上的平凡元素，为人类‘飞’向宇宙，去编织一双高强度、高稳定性、永不疲倦的‘阳光翅膀’。我们要用‘中国智慧’，为全球能源转型提供‘中国方案’。”

知识链接 | 薄膜太阳能电池

　　目前薄膜太阳能电池主要分为碲化镉、铜铟镓硒、钙钛矿、铜锌锡硫硒太阳能电池等几种。

　　碲化镉太阳能电池——优点是技术成熟、工业良品率高，在弱光和高温下发电性能表现不错；缺点是核心元素碲资源极度稀缺，而镉元素具有高毒性。

　　铜铟镓硒太阳能电池——传统无机薄膜太阳能电池的“效率之王”，具有极佳的光电稳定性和太空辐照稳定性。“痛点”在于核心元素铟和镓稀有。

　　钙钛矿太阳能电池——目前光伏界的“超级明星”。效率飙升极快，但比较“娇气”，对水分、氧气、高温等极为敏感，存在稳定性问题。

　　铜锌锡硫硒太阳能电池——避开了其它薄膜太阳能电池的“短板”：原料储量丰富，在我国可实现资源自主与供应链安全；性能稳定，具有极强的耐候性、热稳定性和缺陷自修复效应；环境友好，在碳足迹与“能量回收期”方面具有显著优势；不仅能独立发电，还能作为超高效率全薄膜叠层电池的理想“底电池”。当前研发重点是提高效率。 （中国科学院物理研究所提供）