近日，国际能源领域顶级学术期刊Nature Energy（《自然·能源》）（DOI:10.1038/s41560-026-02157-9）刊发bw必威西汉姆联官网柔性电子全国重点实验室/bw必威西汉姆联官网辛颢教授团队最新科研成果。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。
很多人印象里的太阳能板，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。同时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。
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，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，辛颢教授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。简单理解就是，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。
图1.CuCl溶液和Cu(OAc)2·H2O溶液前驱体溶液中的化学反应
为充分验证溶液化学键合构筑分子网络的实际作用，团队开展了大量对比实验与系统表征分析。采用氯化铜作为铜源时，溶液中的金属分子处于相互分散游离的状态，无法形成连续统一的分子网络，后续的热处理成膜的过程中各组分相互作用，生成不需要的物相；而乙酸铜作为铜源时，乙酸根充当桥梁纽带，将铜与铟（镓）金属整合进统一的分子网络当中，后续的成膜过程中各组分沿统一路径反应（图1）。
图2. CuCl溶液和Cu(OAc)2·H2O溶液制备的薄膜的形貌、相纯度及反应路径
前驱体溶液中分子不同的键合方式导致薄膜反应与相演化路径截然不同。传统溶液方案制备薄膜时，各类金属络合物独立存在，各组分各自分解，除形成铜铟镓硒目标相外，还会生成大量有害杂质，且薄膜晶粒大小参差不齐，薄膜内部孔洞、缺陷遍布，直接拉低电池发电能力。而采用化学键合新策略后，由于各个金属元素之间相互连接，整个材料遵循统一的反应路径完成转化，得到致密、规整、缺陷极少的高质量铜铟镓硒薄膜（图2）。
图3.化学键合策略实现Ga合金化的薄膜相纯度、溶液化学、薄膜反应路径及CIGSe薄膜微观结构
此外，铜铟镓硒电池最棘手的镓元素均匀合金化难题，也借助这项技术得到圆满解决。过往研究发现，镓很难和硫脲形成络合物，在以硫脲为硫源的溶液体系中难以均匀引入，这也是长期以来溶液法很难做好镓元素均匀掺杂的根本原因。而乙酸根可以直接和镓离子配位，不需要镓离子和硫脲发生反应，就能把镓组分完整接入分子网络。在后续的制备过程中，镓随分子网络同步分解参与相变过程，真正实现镓元素在薄膜内部从头到尾均匀融合，获得高质量、高性能的铜铟镓硒薄膜（图3）。
图4. CISe和CIGSe太阳能电池冠军器件的光伏性能
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（图4）。尤为值得关注的是，团队还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。
团队科研人员介绍，该技术的核心逻辑，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。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，为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。
该研究得到国家重点研发计划项目（2024YFB4205000）、国家自然科学基金（62288102，22075150）、江苏省自然科学基金（BK20240650）等项目的资助。
撰稿：王少荧 编辑：彭芃 初审：辛颢 审核：罗志敏