铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池因其原料丰富、成本低廉、环保友好等特点，被国际光伏领域公认为极具发展潜力的新一代光伏技术。然而，长期以来该领域面临的核心难题是如何继续提升光电转换效率。该瓶颈的形成与材料本身的结构特性密切涉及的。 铜锌锡硫硒复杂的多元晶体结构中，铜与锌元素容易发生反位现象，即两种阳离子位置互换。这种阳离子无序状态会直接导致材料带隙降低、缺陷态密度升高，进而增加非辐射复合活性，最终造成电池开路电压的严重损失。因此，实现铜锌有序化成为提升电池性能的关键所在。然而，由于材料在热力学和动力学上存在内在矛盾，精准调控铜锌有序化和元素分布一直是该领域难以突破的技术瓶颈。 针对这一难题，中国科学院物理研究所孟庆波团队经过多年系统研究，创新提出了空位辅助的阳离子有序化策略。该策略的核心思想是通过在材料中人为引入原子空位，为铜锌有序化提供能垒更低的通道，从而大幅降低有序化所需的能量条件。基于这一理论指导，研究团队开发了元素预掺杂—选择性刻蚀溶解的创新实验方法，成功实现了薄膜表面铜原子空位的精准引入。通过短时间退火处理，该方法同步实现了铜锌有序化和缺陷电荷复合的显著降低，从而大幅改善了电池的光电性能。 此前，该团队还通过梯度合金化技术在宽带隙铜锌锡硫硒材料中实现了镉元素的梯度掺杂，构建了梯度带隙光吸收层，创造了宽带隙电池效率纪录。这多项创新成果充分说明了该团队在材料物理机制研究、性质调控和器件技术上的深厚积累。 目前，该团队创造的铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池认证效率已达到16.6%，创造了该类电池的世界纪录。更为重要的是，该团队先后创造的14.9%、15.1%、15.8%和16.6%等多项效率纪录已连续四次被国际公认权威的"Best Research-Cell Efficiency Chart"（由美国洛基山国家实验室发布）收录。另外，国际光伏领域著名专家澳大利亚Martin Green教授发布的"Solar cell efficiency tables"统计迄今已十次收录了该团队该类电池和组件上创造的最高效率纪录。这些国际权威认可充分说明了该研究成果的重要价值和国际影响力。 相关研究成果已分别以"Gradient bandgaps in sulfide kesterite solar cells enable over 13% certified efficiency"和"Vacancy-enhanced cation ordering via magnesium doping to enable kesterite solar cells with 14.9% certified efficiency"为题发表于国际顶级学术期刊Nature Energy。此项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金和中国科学院青年创新促进会等多上的支持。
从"理解缺陷"到"调控缺陷"，CZTSSe电池效率的持续提升表明，资源友好型光伏技术的突破既需要深入理解材料物理机制，也离不开系统工程创新；随着基础研究与工艺优化不断推进，更多基于丰富元素的薄膜光伏技术有望加速成熟，为能源转型提供更可持续的解决方案。