铜铟镓硒薄膜太阳能电池最新研究进展。 2026年10月29日，南京邮电大学柔性电子全国重点实验室/化学与生命科学学院辛颢教授团队在Nature Energy期刊上发表了题为Chemical-linkage-regulated single-phase crystallization and uniform gallium alloying for efficient solution-processed chalcopyrite solar cells的最新科研成果。该团队开创了一种通过全新的调控多元化合物半导体材料性质的策略，在铜铟镓硒薄膜太阳能电池领域取得关键性突破，实现溶液路径制备该类电池的最高效率。

　　 铜铟镓硒太阳能电池是潜力突出的光伏技术，吸光能力强、使用寿命稳定、耐辐射性好，且可做成轻薄柔性器件，在太空光伏、建筑光伏一体化、便携电子等方面具有广阔的应用前景。同时其带隙可通过合金化在很宽的范围内精准调控，适配叠层电池顶、底电池需求，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，涂布到基底后经热处理转化为含硫化合物薄膜，无需高能耗真空设备，便于大面积连续制备，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，制备均匀纯相薄膜一直是行业内非常棘手的难题。而在溶液法中，热退火时多种金属配合物自由碰撞、分解是导致杂相生成的关键。针对该问题，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，选用可提供乙酸根的乙酸铜（Cu(OAc)2·H2O）作为合成铜铟镓硒的前驱物，利用乙酸根可以同时形成氢键和配位键的双重本领，在溶液内部把铜、铟（镓）多种组分相互锚定，抑制自由碰撞，避免杂相生成，获得纯相均匀铜铟镓硒薄膜。

　　 图1. 乙酸铜(Cu(OAc)2·H2O)和氯化铜(CuCl)制备的前驱溶液中金属离子配位方式。乙酸铜溶液中通过氢键和配位键形成将两种金属桥联。

　　 为验证溶液化学调控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。传统以氯化铜为铜源的溶液中，金属离子与硫脲形成各自的络合物，分散游离于溶液中，而以乙酸铜为前驱化合物时，乙酸根通过氢键与铜配合物连接的同时通过配位键与铟离子连接，在溶液中形成了双金属分子网络（图1）。

　　 图2. 氯化铜和乙酸铜溶液制备的薄膜的形貌、相纯度及反应路径

　　 不同的溶液化学带来不同的相演化路径。传统氯化铜溶液中，各金属配合物独立存在，热退火过程中自由碰撞、分解，除了形成铜铟硒外，还会生成其他杂相，且薄膜结晶质量较差。而在乙酸铜溶液中，由于两种金属配合物之间相互连接，分解生成唯一的三元相CuInS2，经硒化后得到高质量的纯相铜铟硒薄膜（图2）。

　　 图3. 溶液化学调控实现铜铟镓硒薄膜单相结晶及镓均匀合金化

　　 这项技术还攻克了铜铟镓硒半导体材料长期难以解决的镓均匀合金化难题。由于在溶液中Ga3+不易与硫脲络合，很难在以硫脲为硫源的溶液体系中均匀掺入，这也成为制约溶液法镓元素均匀合金化的核心瓶颈。本工作中，Ga3+可以与In3+一样与乙酸根配位，通过配位键将Ga3+稳定接入分子网络中。在后续退火相变过程中，镓与铟发生同样的反应路径，最终实现镓的均匀合金化，得到高质量的铜铟镓硒薄膜（图3）。

　　 图4. 铜铟硒和铜铟镓硒太阳能电池冠军器件的光伏性能

　　 依托这项化学化合物互联创新策略，获得器件性能的突破，所制备铜铟硒电池效率达15.30%，铜铟镓硒电池效率达18.53%（认证效率17.53%），刷新溶液法制备该类电池的世界纪录（图4）。值得注意的是，本研究尚未实施梯度带隙、碱金属掺杂等在真空路径被证明有效的效率提升策略，未来仍有很大的提升潜力。

　　 本研究首次开发了通过化合物桥联合成纯相多元半导体化合物的全新策略，成功实现了CISe和CIGSe单相结晶和均匀镓合金化，解决了领域难题，实现了效率突破。该策略同时为其他多元素硫族半导体材料合成提供了新思路。

　　 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。（来源：科学网）

　　 相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-026-02157-9

　　
作者：辛颢 等 来源：《自然-能源》