中科院化学所薛丁江研究员Science Advances：室内光伏唤醒世界上第一块太阳能电池！

第一作者：闫彬、刘新胜

通讯作者：薛丁江

通讯单位：中国科学院化学研究所

文章链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adc9923

01
研究背景

世界上第一块太阳能电池是由美国科学家Charles Fritts于1883年基于硒（Se）构建而成，开启了现代光伏领域。然而Se带隙较宽（~1.9 eV），限制了其对太阳光的充分吸收，后续发展受阻。近年来，物联网领域的高速发展带动了能为之供能的室内光伏领域的快速发展。室内光伏电池可吸收室内环境中低强度光进而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（均位于可见光区），致使其室内理论光伏转换效率极限高达55%；同时Se具有高吸收系数、强稳定性、组成简单、绿色无毒、价格低廉等优势，是理想的室内光伏吸收层材料。然而，关于Se室内光伏方面的系统研究，目前尚未见报道。

02
本文亮点

1. 本工作率先挖掘了“古老”Se电池在“年轻”室内光伏领域的独特优势：本征带隙在室内光伏最佳带隙区间（1.8-1.9 eV）；高吸收系数及低长晶温度，可薄膜柔性化，易于传感器集成；低剂量下绿色无毒（Se为人体必需微量元素）；光伏相三方Se为热力学最稳定相；成本低廉，1 m² Se薄膜成本约为0.8元（1 微米膜厚）。

2. 揭示了Te添加层通过成键桥连Se吸收层与TiO₂电子收集层带来的界面缺陷钝化作用。进一步通过优化Te钝化层覆盖度，大幅提升了Se室内光伏电池光电转换效率。

3. 制备出室内光电转换效率达15.1%的Se电池，优于目前商业化的室内光伏非晶硅电池性能，成功驱动了物联网定位传感器RFID电子标签，展示在其在物联网领域的极大应用前景。

03
图文解析

▲图1.Se在室内光伏领域的独特优势

要点：

1. 1.    通过对比太阳光和室内光（发光二极管（LED）和荧光灯（FL））发射光谱，明确了室内光伏电池吸收层材料的最佳带隙在1.8-1.9 eV。

2. 2.    Se带隙（~1.88 eV）恰好位于室内光伏最佳带隙区间范围内，其室内理论光电转换效率高达55%。

3. 3.    同时，Se具有高吸收系数（10⁵ cm^-2）、低熔点（217℃）、绿色无毒、成本低廉等优势，是室内光伏吸收层的理想材料。

▲图2. Se电池在标准太阳光和室内光下性能对比

要点

1. 1.    Se光伏器件采用顶衬结构，电子收集层采用环境友好的TiO₂，器件整体无毒，对环境和人体无害，适合在室内环境下使用。
2. 2.    对比了标准太阳光和室内光（1000 lux）照射下，Te添加层厚度分别为0.5、2.5和5 nm时的器件性能。测试表明：在标准太阳能光和室内光下，Te的最佳厚度不同。太阳光下Te最佳厚度为0.5 nm，器件最高效率为5.8%。该效率为目前TiO₂/Se异质结太阳能电池最高效率；室内光下Te最佳厚度为2.5 nm，从而说明标准太阳光下的电池优化条件并不能直接对应室内光伏电池的最佳条件。

▲图3. Te添加层的桥连钝化作用

要点

1. 1.    相较于标准太阳光光强（100 mW cm^-2），室内光光强通常仅为 < 1%个太阳，产生的光生载流子浓度极低，若Se/TiO₂界面处存在高密度缺陷，会导致界面复合损失。

2. 2.    通过DFT计算表明，Se-O成键活化能较高，难以成键，从而导致Se/TiO₂界面间存在大量悬挂键缺陷。

3. 3.     Se和Te同族，化学性质接近，二者可以通过共价键连接。同时由于Te-O成键活化能低，Te易于TiO₂成键，因此在Se和TiO₂功能层间引入Te层，可通过Se-Te和O-Te成键实现界面桥连，钝化界面缺陷。

4. 4.     进一步优化了Te添加层的覆盖度，当Te厚度在2.5 nm时，界面缺陷浓度从3.9 × 10¹² cm⁻²降低至6.5 × 10¹¹ cm⁻²，从而解释了该厚度下最优的Se室内光伏电池性能。当进一步增加Te厚度时，虽覆盖率进一步提高，但过多Te会导致并联电阻减小，器件性能开始快速下降。

▲图4. Se电池组件驱动物联网传感器

要点

在1000 lux室内光照射下，所制备的Se光伏电池光电转换效率达15.1%；未封装器件在1000 lux室内光照射1000小时后，性能未见衰减。同时所制备的Se串联电池组件成功驱动了物联网定位RFID电子标签，展示了Se室内光伏器件在物联网领域供能方面的巨大应用潜力。

04
通讯作者简介

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。主要从事无机薄膜太阳能电池及室内光伏电池方面的研究工作。在Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem.等期刊上发表SCI论文40余篇。担任《InfoMat》《Chinese Journal of Chemistry》《Carbon Neutralization》《eScience》等期刊青年编委、中国可再生能源学会青委会委员。获2014年度中国科学院优秀博士论文，2013年度中国科学院院长优秀奖。

05
博后招聘

诚挚欢迎热爱科研、积极上进、认真负责的优秀青年人才加入团队！应聘条件：获得博士学位不超过3年，申请时年龄不超过35周岁；具有太阳能电池研究背景。应聘材料：个人简历中应涵盖教育经历、工作经历、发表论文、获奖情况及能体现个人能力的详细资料。初审合格后，立即安排面试，录取后，待遇从优。

联系邮箱: [e-mail]