中科院物理所研發(fā)的新型薄膜光伏材料——銅鋅錫硫硒，再次打破世界紀(jì)錄，正式邁過(guò)了產(chǎn)業(yè)化門(mén)檻。

這是一種純無(wú)機(jī)設(shè)計(jì)的光伏材料，成本低、壽命長(zhǎng)，還能制成薄膜形態(tài)。目前，它是鈣鈦礦之外另一個(gè)極具潛力的選手。

光伏電池領(lǐng)域有一個(gè)細(xì)分族群叫薄膜電池。顧名思義，就是特別薄的光伏電池——半導(dǎo)體吸收層厚度只有1到10微米，而常見(jiàn)的光伏電池大約在150到200微米。差距非常大。

薄膜電池的優(yōu)勢(shì)很明顯：

可做柔性：可以彎曲甚至卷曲，貼合在各種物體上，讓光伏無(wú)處不在

比功率大：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的發(fā)電能力極強(qiáng)。相同效率、相同功率下，材料用量比常規(guī)晶硅電池小數(shù)十倍到數(shù)百倍

目前比較成熟的薄膜電池主要有三種：碲化鎘（份額最大，已實(shí)現(xiàn)GW級(jí)量產(chǎn)）、銅銦鎵硒、非晶硅。此外，常用于衛(wèi)星的砷化鎵也有薄膜版本，但制造成本很高。

說(shuō)起薄膜特性，不得不提大名鼎鼎的鈣鈦礦。它被視為晶硅電池的下一個(gè)主流路線(xiàn)：

單節(jié)效率可達(dá)26.7%

疊層可超過(guò)30%，甚至逼近40%

鈣鈦礦同樣具備超薄特性，比功率比商用晶硅電池高出1000多倍。

馬斯克的星鏈衛(wèi)星逐步采用鈣鈦礦，正是看中了這一點(diǎn)——超高的比功率可以顯著降低太陽(yáng)能帆板的質(zhì)量，對(duì)載荷錙銖必較的航天發(fā)射至關(guān)重要。

但鈣鈦礦有一個(gè)致命短板：壽命問(wèn)題。

鈣鈦礦屬于有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料，有機(jī)成分是一把雙刃劍——既帶來(lái)了高比功率，又大幅制約了壽命。

它對(duì)濕熱因素非常敏感，容易自行降解。傳統(tǒng)鈣鈦礦裸件在高溫下的T90壽命（衰減到90%的時(shí)間）只有幾百到上千小時(shí)。

今年2月，武漢大學(xué)在《科學(xué)》上發(fā)表成果，將高溫T90延長(zhǎng)到了5000小時(shí)——但算下來(lái)也只有200多天。與硅基電池20到25年的壽命相比，仍然無(wú)法相提并論。

因此，鈣鈦礦的商業(yè)化必然高度依賴(lài)封裝技術(shù)，而封裝又會(huì)損失比功率、抬高成本。這是一個(gè)無(wú)法忽視的弊端。

中科院物理所突破的銅鋅錫硫硒，在多個(gè)方面相比鈣鈦礦有獨(dú)家優(yōu)勢(shì)。

優(yōu)勢(shì)一：純無(wú)機(jī)，本征壽命長(zhǎng)

銅鋅錫硫硒是純無(wú)機(jī)配方，不存在鈣鈦礦的有機(jī)成分問(wèn)題，本征壽命更長(zhǎng)，不需要依賴(lài)復(fù)雜的封裝技術(shù)。

優(yōu)勢(shì)二：無(wú)毒環(huán)保

銅鋅錫硫硒中的所有元素都比較豐富、容易獲取，且不含鉛。而目前最具商業(yè)化潛力的鈣鈦礦配方中是含鉛的——雖非不可替代，但非鉛鈣鈦礦的效率差距在10個(gè)百分點(diǎn)以上，無(wú)法商業(yè)化。

優(yōu)勢(shì)三：抗紫外線(xiàn)

鈣鈦礦對(duì)紫外線(xiàn)敏感，紫外線(xiàn)會(huì)加速其分解。而銅鋅錫硫硒是無(wú)機(jī)設(shè)計(jì)，在持續(xù)紫外線(xiàn)照射下不會(huì)發(fā)生光催化效應(yīng)，更加穩(wěn)定。

最大的短板：效率

銅鋅錫硫硒最大的問(wèn)題是效率低。

早期其效率只有10%出頭，毫無(wú)商業(yè)化潛力。轉(zhuǎn)折點(diǎn)在2022年——中科院物理所首次突破13%效率，打破了十年的停滯。此后一鼓作氣，連續(xù)10次刷新世界紀(jì)錄，到2026年干到了16.6%，是目前該領(lǐng)域最強(qiáng)戰(zhàn)績(jī)，沒(méi)有之一。

后續(xù)20%已經(jīng)可以展望，甚至追平鈣鈦礦也不是不可能——銅鋅錫硫硒的肖克利-奎伊瑟理論極限是32%，而鈣鈦礦也只是33.7%。鈣鈦礦能達(dá)到今天26%多的效率，也是一路爬上來(lái)的。

討論銅鋅錫硫硒的實(shí)用化前景，太空光伏是最適合的場(chǎng)景。

太空光伏對(duì)材料要求極為嚴(yán)格，而銅鋅錫硫硒有兩個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：

抗輻射能力強(qiáng)：對(duì)質(zhì)子等太空粒子的容忍性非常強(qiáng)，且有一定自恢復(fù)特性

抗紫外線(xiàn)：太空中沒(méi)有大氣遮擋，紫外線(xiàn)強(qiáng)度更高，這對(duì)銅鋅錫硫硒更有利

但銅鋅錫硫硒在比功率上處于劣勢(shì)：

鈣鈦礦吸收層只有300到600納米，銅鋅錫硫硒是1到2微米

鈣鈦礦可用超薄塑料襯底（低溫工藝），銅鋅錫硫硒涉及高溫步驟，一般用金屬薄片，沒(méi)那么輕量。

兩者比功率大致相差5到20倍。

不過(guò)，銅鋅錫硫硒的穩(wěn)定性可能會(huì)彌補(bǔ)比功率劣勢(shì)。對(duì)于需要執(zhí)行長(zhǎng)期任務(wù)的航天器，它的比功率或許是可以容忍的；

而對(duì)于服役期較短的低軌衛(wèi)星，鈣鈦礦可能會(huì)憑借效率優(yōu)勢(shì)直接碾壓。

對(duì)于薄膜電池而言，效率突破15%就可以逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。

因?yàn)楸∧る姵氐暮诵膬?yōu)勢(shì)是柔性和高比功率，可以填補(bǔ)普通硅基電池?zé)o法勝任的應(yīng)用場(chǎng)景——即便效率沒(méi)有突破20%，也已具備商業(yè)化資格。

目前中科院的成果已達(dá)到16.6%，直接跨過(guò)了產(chǎn)業(yè)化門(mén)檻。

珍惜薄膜光伏。希望大家有所收獲。