在探索太空能源的征程中，一种以地球常见元素为原料的新型太阳能电池正崭露头角。铜锌锡硫硒（CZTSSe）太阳能电池凭借其低成本、环境友好、性能稳定及抗太空辐照等特性，被全球公认为下一代极具潜力的光伏材料。中国科学院物理研究所清洁能源实验室的孟庆波研究员团队，经过十余年的不懈努力，在这一领域取得了突破性进展。
今年3月，孟庆波团队宣布将CZTSSe太阳能电池的认证效率提升至16.6%，并被国际公认的光伏统计体系收录。这一成就标志着我国在新型薄膜光伏领域实现了全球领跑，相关技术也迈过了产业化的关键门槛。团队还成功研制出高性能柔性CZTSSe太阳能电池及组件，为该技术的实际应用奠定了坚实基础。
CZTSSe太阳能电池的研发历程并非一帆风顺。上世纪60年代，国外科学家首次在实验室合成了铜锌锡硫（CZTS）晶体。然而，直到20年后，日本研究人员才制备出CZTS薄膜，并发现其具有极高的光吸收系数。尽管如此，由于光电转换效率长期低迷，这种材料并未引起广泛关注。当时，研究焦点主要集中在光电转换效率较高的铜铟镓硒（CIGS）材料上，但其核心元素铟和镓的稀缺性限制了其大规模应用。
随着光伏产业的快速发展，对稀有金属的需求激增，资源紧缺问题日益凸显。在此背景下，国内外科研团队开始转向CZTS薄膜的研究，探索用常见金属锌和锡替代铟和镓的可能性。然而，早期的研究中，光电转换效率的提升仍然缓慢。当美国研究团队将CZTSSe的光电转换效率提升至12.6%时，曾引起科学界的轰动，但随后效率提升陷入停滞，许多团队因此撤离。
面对这一挑战，孟庆波团队于2015年毅然决然地投身于CZTSSe的研究。他们凭借中国科学院物理研究所的基础研究优势，深入分析材料微观缺陷对光电转换效率的限制，通过精确调控材料结晶和原子排列，成功减少了缺陷和能量损耗。这一创新技术路径的开辟，为CZTSSe太阳能电池效率的提升奠定了基础。
在随后的几年里，孟庆波团队持续发力，接连实现认证效率的跨越式跃升。2022年年底，他们将效率提升至13.6%，一举冲破了国际上近10年的“停滞期”。此后，团队又完成了器件放大与柔性组件的构建，相关研究成果连续发表于国际著名的能源期刊《自然·能源》。
孟庆波表示，每一项纪录的背后都是无数次失败和绝望的积累，是团队在绝境中寻找新方法、新技术的过程。他们的探索历程分为三个阶段：打基础阶段，摸清材料特性，将认证效率提高至12.8%左右；突围阶段，首创微高压辅助硒化技术，解决高温硒化炉中原子“乱跑”的问题，认证效率先后达到13.6%和14.9%；优化与重塑阶段，引入碱金属全局介导技术，精准抑制缺陷形成，认证效率跃升至16.6%。
在优化与重塑阶段，团队聚焦缺陷调控，通过引入碱金属全局介导技术，在高温结晶时拉平铜、锌、锡三种阳离子与硒反应的速率，确保正确的原子待在正确的位置。这一技术突破使得光电转换效率实现了跨越式提升，证明了CZTSSe材料中所谓的“缺陷和无序”并非不可逾越的障碍。
除了效率的提升，孟庆波团队还成功研制出高性能柔性CZTSSe太阳能电池及组件。柔性器件的研制过程充满挑战，需要解决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。团队通过跨界综合战役，找到了适合柔性体系的组件路线，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。
随着全球能源转型步伐的加快，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。CZTSSe太阳能电池凭借其叠加多种优势，未来将在地面清洁能源和太空大规模能源应用中发挥重要作用。孟庆波团队表示，他们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，为全球能源转型提供“中国方案”。
