中国科学院化学所薛丁江Joule：一维链高度有序化实现高效率Se太阳能电池 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

中国科学院化学所薛丁江研究员等在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题为“Ordering one-dimensional chains enables efficient selenium photovoltaics”的文章。文章针对硒薄膜在传统退火处理后残留无序硒链的难题，提出了适用于硒等一维材料的临界熔融退火策略，使无序硒链在结晶过程中能充分重排，从而制备出高结晶度的硒薄膜。基于该工艺制备的硒薄膜太阳能电池获得了7.2%的认证效率记录，置于大气环境中的未封装器件在最大功率点下运行1000小时效率损失可忽略不计，呈现出优异的稳定性。此外，该电池在1000 lux室内光下取得18%的光电转换效率，成功驱动了商用电子价格标签。

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研究背景

1883年Charles Fritts基于硒（Se）构建了世界上第一个太阳能电池，开启了现代光伏领域。然而较宽的带隙（~1.9 eV）限制了Se在太阳光发电领域的发展。近年来，物联网领域的高速发展带动了室内光伏领域的快速发展，室内光伏电池吸收室内环境中低强度光可输出微瓦到毫瓦的电能，被公认为是驱动低功耗物联网传感器的最佳供能方式之一。Se吸收光谱与室内光源发射光谱完美匹配，其室内光伏效率理论极限高达55%；同时Se具有吸收系数高、稳定性强、绿色无毒、价格低廉等优势，是理想的室内光伏吸收层材料。近年来，关于Se室内光伏的研究已有报道，但对于硒吸收层的优化却少有研究。

本文要点

要点一：一维材料结晶过程研究

作者首先对比研究了一维链状结构硒与传统三维结构材料的结晶过程。在三维材料中，退火结晶时重排基元为单个原子，其最佳退火结晶温度被定义为“熔点的85%”。而硒作为一维链状结构材料，其在结晶时重排基元为硒链。密度泛函理论（DFT）计算显示，链状基元的迁移活化能远高于单个原子，这意味着硒链在结晶重排时需要更高的能量。通过拉曼光谱表征发现，在传统三维材料最佳退火温度下制备的硒膜中始终会残留无序硒链，这将在硒吸收层中引入深缺陷，导致严重的载流子复合问题。

图1. 一维材料结晶过程研究。

要点二：临界熔融退火Se膜的表征

作者基于一维材料结晶过程的特点，提出了临界熔融退火结晶策略，克服了硒链的高迁移活化能，使几乎所有无序硒链充分重排进入晶格。拉曼光谱显示该策略制备的硒膜中无序硒链已完全消除，X射线衍射（XRD）和同步辐射掠入射广角X射线散射（GIWAXS）结果也表明硒膜结晶度得到了有效提高。此外，空间电荷限制电流（SCLC）测试显示硒膜中的缺陷密度降低了2.3倍，瞬态光电压（TPV）测试表明电荷复合寿命也有效提高，进一步验证了临界熔融退火策略的有效性。

图2. 临界熔融退火Se膜的表征。

要点三：标准太阳光下的光伏性能

作者构建了基于临界熔融退火硒膜的硒太阳能电池，在AM1.5G标准太阳光下实现了7.2%的认证光电转换效率，是目前报道的硒电池最高效率。作者进一步测试了未封装硒电池的长期稳定性，在AM1.5G光照下最大功率点（MPP）连续工作1000小时效率几乎没有损失，这种稳定性归因于三方相硒本身的高热力学稳定性和强水氧稳定性。

图3. 标准太阳光下的光伏性能。

要点四：室内光伏性能与物联网应用

作者进一步测试了该硒电池的室内光伏性能，在1000 lux照度的LED光照下获得了18%的室内光电转换效率，远超商业化的非晶硅室内光伏电池。作者进一步制备了硒串联电池组件，成功为LIR2450锂电池充电并实现了商业化无线电子价格标签的自供电，展示了硒室内光伏器件在物联网无线终端供能方面的巨大应用潜力。

图4. 室内光伏性能与物联网应用。

作者介绍

薛丁江

研究员

薛丁江，中国科学院化学研究所研究员，国家优秀青年基金获得者，中国科学院青年创新促进会优秀会员。2013年于中国科学院化学研究所获得博士学位。2013-2015年在华中科技大学（武汉光电国家研究中心）从事博士后研究工作。2018-2019年在加拿大多伦多大学从事访问学者研究工作。2016年入职于中国科学院化学研究所纳米结构与纳米技术院重点实验室，现任研究员。主要从事光伏材料与器件方面的研究工作。在Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、Joule等期刊上发表SCI论文40余篇。担任InfoMat、Chinese Journal of Chemistry、Carbon Neutralization、eScience、InfoScience等期刊青年编委、中国可再生能源学会青委会委员。获得中国科学院优秀博士论文、中国科学院院长优秀奖等。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule，

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▌论文标题：

Ordering one-dimensional chains enables efficient selenium photovoltaics

▌论文网址：

https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(24)00105-3

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.02.024

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