Nature Energy：堿金屬介導的相分離調控：實現高效柔性銅鋅錫硫硒太陽能電池及組件

柔性硫銅錫鋅礦Cu2ZnSn(S,Se)4（CZTSSe）光伏電池對于輕量化和便攜式應用具有吸引力，但其效率仍然受到不受控制的堿金屬摻入的限制。

基于此，中科院物理研究所孟慶波研究員和石將建副研究員、杭州電子科技大學嚴文生教授（共同通訊作者）等人系統地揭示了堿金屬如何控制柔性鉬箔上CZTSSe的結晶和相變，闡明并利用了Na和Li在控制柔性襯底上CZTSSe結晶方面的獨特和互補的作用。研究發現，Na會增加系統中的硒含量，促進晶體生長，但同時也會導致不受控制的SnSex形成和微米級的分離。

作為補充，引入Li會重塑自由能景觀，促進富Cu相的生長。通過競爭性消耗Se，抑制了大規模的SnSex分離及其引發的Cu-Sn分離，從而減輕了Na帶來的不利影響，使得Cu2SnSe3和CZTSSe能有序地演變。利用Na和Li之間的這種互補作用，獲得了高質量的CZTSSe薄膜，柔性組件效率達到14.5%（認證值為14.2%）。作者還構建了疊瓦式柔性CZTSSe光伏組件，在大于10 cm2的面積上實現了12.7%（認證值為12.0%）的功率轉換效率（PCE），超過了10年前基于真空的剛性組件所創下11.8%（未認證）的效率紀錄，從而證明了柔性模塊在性能上優于剛性組件。

總之，本工作闡明了Na和Li各自獨特且互補的作用，并突出了在CZTSSe結晶生長過程中對相分離尺度控制的重要性。更廣泛地說，本文展示的動力學競爭策略為調控復雜材料系統中的多相演化提供了一個可推廣的框架。

圖文解讀

作者采用了一種廣泛使用的策略，通過將NaCl直接溶解在前驅體溶液中向系統中引入Na。通過前驅體薄膜的硒化獲得的最終的CZTSSe層。Na的引入顯著減少了孔隙和不均勻的形態，特別是在SEM圖像中消除了低導電性導致的亮對比度區域，改善了薄膜表面的狀況，并促進了底層晶粒的生長。摻鈉電池的平均功率轉換效率（PCE）從7.64%提升至12.13%，短路電流密度（JSC）從31.99 mA?cm-2上升至35.10 mA?cm-2，填充因子（FF）從約0.5增加到約0.7，平均開路電壓（VOC）僅從約485 mV小幅變化至約490 mV。

圖1. Na摻雜對薄膜性能的影響

作者研究了規模化Cu-Sn相分離的可能機制。Na的摻入顯著增加了表面Se的含量，通過Na-Se相互作用實現。Se含量的升高為金屬硒化物的生長提供了更強的驅動力，促進了SnSex的無控制生長，特別是因為它的熔點更低，導致了實驗中觀察到的廣泛的平面結構。SnSex的片狀形態限制其與CuxSe緊密接觸，限制了元素的擴散和相變，表明加速這些相的融合需要抑制SnSex片層的快速生長，并減小其橫向尺寸，以增強與CuxSe的接觸。第一性原理計算表明，Li的摻入能夠有效地降低Cu2Se和Cu2SnSe3的吉布斯自由能，使它們在高溫硒化過程中具有更大的生長優勢。

圖2.摻雜Li對相分離的影響

在最佳Na濃度為80 mM時，將120 mM LiCl引入前驅體薄膜的第一層，會使平均組件效率額外增加約2%。特別地，平均VOC從約490 mV增加到約530 mV，而JSC也顯著增強，達到約37 mA ?cm-2。作者實現了電池的總面積效率為14.45%，JSC為36.8 mA ?cm-2，VOC為540.4 mV，FF約為0.73。這種異常高的FF表明了電荷傳輸方面的顯著改善以及電池中電荷復合損失的減少，也轉化為了一整個光譜范圍內的高外部量子效率（EQE）。EQE光譜圖給出了38.67 mA cm-2的有效面積JSC集成值，并表明CZTSSe吸收層的帶隙約為1.08 eV。

圖3.組件性能

圖4.缺陷特性和載體-傳輸表征

首先，作者制備了尺寸約為3.7×1.3 cm2的柔性電池，其中在表面熱蒸發了精細的網格電極，并沿著邊緣沉積了導線。然后，將Mo箔基板的后邊緣與另一個子電池的前導線使用導電銀漿連接起來，從而在子電池之間形成串聯連接。通過連接四個子電池，構建了一個孔徑面積大于10.5 cm2的疊瓦式組件。在實驗室測量中，疊瓦式組件實現了總面積效率為12.7%（10.5 cm2），JSC約為9 mA cm-2，VOC約為2.02 V，FF約為70%。通過NPVM對該組件進行的認證顯示效率約為12.0%，JSC約為8.7 mA cm-2，FF約為0.68，明顯優于通過溶液加工工藝制造的CZTSSe組件。

圖5.疊瓦式CZTSSe組件性能

文獻信息

Alkali-metal-mediated control of phase segregation for flexible kesterite solar cells and modules with improved efficiency. Nature Energy,2026, https://doi.org/10.1038/s41560-026-02018-5.

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