作者段跃初

9 月 15 日，国际顶级期刊《自然・能源》在线刊发的一篇研究论文，让柔性光伏领域的研究者们眼前一亮。南京邮电大学柔性电子全国重点实验室黄维院士和辛颢教授团队宣布，他们通过溶液法成功制备出有效面积达 10.48 平方厘米的 “铜锌锡硫硒” 光伏薄膜，其光电转化效率达到 10.1%，不仅打破了无机柔性光伏材料规模化制备的技术瓶颈，更以扎实的数据验证了该技术的产业化潜力。
“把太阳能电池做成像布一样柔软，能贴在背包上给手机充电，能缝在帐篷上供户外用电，甚至能集成在建筑幕墙实现‘发电玻璃’的梦想 —— 这是我们团队多年的追求。” 辛颢教授在实验室里展示着一块巴掌大的柔性薄膜，手指轻轻弯折，薄膜如同塑料片般柔韧，表面的深褐色涂层在灯光下泛着金属光泽。这个看似普通的 “薄膜片”，背后是光伏材料领域多年的技术博弈。
当前全球光伏市场中，晶体硅材料占据着 95% 以上的份额，但它有着天生的 “硬伤”：每平方米重量超过 10 公斤，且脆性极大，根本无法满足柔性场景需求。“你不可能把晶体硅板缝在衣服上，更没法用它做可折叠的便携式发电设备。” 辛颢解释道。为突破这一局限，科研界曾把希望寄托在钙钛矿材料上 —— 这种新型材料能制成几微米厚的薄膜，重量仅为晶体硅的百分之一，2023 年其实验室效率已突破 26%。但致命缺陷同样明显：钙钛矿在潮湿环境中会快速分解，一块钙钛矿光伏板在南方梅雨季节放置一周，效率就可能下降 30% 以上，稳定性远不能满足产业化要求。
在这样的困境中，第二代光伏材料 “铜铟镓硒”（CIGS）重新进入研究者视野。这种无机化合物材料稳定性极佳，实验室效率最高可达 23.35%，且具备薄膜化潜质。但它的产业化之路被两道门槛死死卡住：一是原料成本过高，铟的全球储量仅 1.6 万吨，市场价高达每公斤 1200 美元，镓的价格也接近每公斤 200 美元；二是制备工艺复杂，传统真空蒸镀法需要造价数千万元的设备，且薄膜良品率不足 60%。“2019 年我们测算过，用铜铟镓硒做柔性光伏组件，每瓦成本是晶体硅的 3 倍，根本没有市场竞争力。” 团队核心成员、博士生李然回忆道。
2021 年，团队决定另辟蹊径。“既然铟和镓太贵，能不能用储量丰富的元素替代？” 辛颢带领团队查阅了 300 多篇文献，最终锁定了锌和锡 —— 这两种元素的地壳储量分别是铟的 12 万倍和 8 万倍，市场价仅为每公斤 2 美元和 3 美元。同时，他们放弃了昂贵的真空法，改用溶液法制备薄膜：将铜、锌、锡等元素的化合物溶解在有机溶剂中，制成均匀的 “墨水”，再通过涂布机像刷油漆一样涂在柔性基底上，经加热退火即可成膜。
这个思路很快取得突破。2021 年底，团队成功制备出 0.1 平方厘米的 “铜锌锡硫硒”（CZTSSe）光伏薄膜，光电转化效率达到 13%，远超当时同类小面积薄膜的平均水平。但兴奋劲儿还没过去，新的难题就来了。“光伏组件不是实验室里的样品，必须有足够大的面积才有实用价值。” 辛颢解释说，国际光伏界公认，组件有效面积需超过 10 平方厘米，才能满足规模化应用的基本要求。可当团队把薄膜面积从 0.1 平方厘米放大到 10 平方厘米时，效率直接暴跌至 5% 以下，这也是全球该领域研究者共同面临的 “魔咒”。
接下来的 4 年多时间，团队陷入了 “放大 - 效率降 - 再调整” 的循环。他们累计制备了超过 2000 片薄膜样品，光是实验用的柔性基底就消耗了 300 多米。转机出现在 2023 年夏天，博士生王悦在观察薄膜截面的扫描电子显微镜图像时突然发现：薄膜表面竟然形成了一层致密的结晶层，就像给内部材料盖上了 “盖子”。“硒元素是提升效率的关键，这层‘盖子’肯定挡住了硒的渗入通道！” 这个发现让团队豁然开朗。进一步检测证实，溶液涂布后加热时，表面溶剂挥发过快，导致元素过早结晶，而内部还没来得及形成均匀的晶体结构，硒元素无法充分扩散，自然影响光电转换效果。
找到症结后，团队开始 “对症下药”。他们调整了溶液的配方比例，加入一种特殊的有机添加剂延缓表面溶剂挥发速度；同时优化加热程序，将退火温度从 550℃降至 500℃，并延长保温时间。“就像烤蛋糕，以前火太急表面烤焦了，里面还没熟，现在调低火候慢慢烤，内外就能均匀熟透。” 辛颢用通俗的比喻解释道。经过上百次调试，团队终于制备出表面平整、内部结构均匀的大面积薄膜。经国际权威检测机构 —— 德国亥姆霍兹柏林中心测试，这块 10.48 平方厘米的光伏组件光电转化效率达到 10.1%，且经过 500 次弯折和 1000 小时湿热环境测试后，效率仅下降 2.3%，稳定性远超钙钛矿材料。
更令人振奋的是，这项技术的成本优势极为显著。团队测算，溶液法的设备投资仅为真空法的 1/10，加上廉价的原料，规模化生产后每瓦成本可控制在 0.3 美元以内，比晶体硅光伏板低 20%，更是远低于铜铟镓硒组件。“这意味着柔性光伏第一次具备了与传统光伏正面竞争的成本基础。” 黄维院士指出，该成果已被国际权威的《太阳能电池效率表》收录，这是我国在无机柔性光伏领域的效率数据首次入选该榜单。
消息一经发布，立刻引发行业关注。国内光伏巨头隆基绿能的研发总监张博表示，已与南邮团队达成合作意向，计划共建中试生产线。“柔性光伏能开拓太多新场景：比如给无人机做光伏翼，延长续航时间；在偏远山区用柔性组件覆盖屋顶，运输安装都方便；甚至能做成光伏窗帘，实现建筑自发自用。” 张博算了一笔账，若该技术实现量产，预计 5 年内可占据全球柔性光伏市场 30% 以上的份额。
对于团队来说，这只是第一步。“我们接下来要冲击 12% 的效率目标，同时把组件面积扩大到 1 平方米以上。” 辛颢指着实验室里正在运转的涂布机说，目前团队已开发出卷对卷连续生产工艺，未来像印报纸一样批量生产柔性光伏薄膜将成为现实。从 0.1 平方厘米到 10.48 平方厘米，这看似简单的面积跨越，背后是科研人员上千次的实验探索，更是我国在光伏材料领域从跟跑到并跑的生动缩影。

来源: 科普文迅