近年來，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的高速發(fā)展帶動(dòng)了室內(nèi)光伏領(lǐng)域的快速發(fā)展，室內(nèi)光伏電池因其能夠在室內(nèi)低強(qiáng)度光照條件下輸出微瓦到毫瓦的電能，成為驅(qū)動(dòng)低功耗物聯(lián)網(wǎng)傳感器的理想供能方式之一。硒的吸收光譜與室內(nèi)光源發(fā)射光譜完美匹配，其室內(nèi)光伏效率理論極限高達(dá)55%。同時(shí)硒具有吸收系數(shù)高、穩(wěn)定性強(qiáng)、綠色無毒、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，是理想的室內(nèi)光伏吸收層材料。因此，深入研究硒的材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)對(duì)于推動(dòng)硒在室內(nèi)光伏電池中的應(yīng)用具有重要意義。
 

　　在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的支持下，化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡勁松/薛丁江團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于硒室內(nèi)光伏電池研究，首次揭示了硒在室內(nèi)光伏領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)(Sci. Adv.?2022,8, eadc9923)。
 

　　在前期工作的基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)通過解析非晶硒的結(jié)構(gòu)及其結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程，揭示了硒獨(dú)特的無序鏈缺陷性質(zhì)，明確了無序鏈缺陷的形成機(jī)理，并提出臨界熔融退火策略，成功消除了無序鏈缺陷，獲得了高效硒光伏電池。光伏相三方硒的一維鏈狀晶體結(jié)構(gòu)使得硒晶體中易出現(xiàn)無序鏈。理論計(jì)算結(jié)果表明，無序硒鏈會(huì)在硒禁帶中引入深缺陷能級(jí)。研究人員從非晶硒的結(jié)構(gòu)解析入手，通過同步輻射X射線精細(xì)吸收譜確認(rèn)了非晶硒的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比硒環(huán)、硒鏈結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)硒環(huán)的鍵角更大，表明硒環(huán)中存在較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，導(dǎo)致硒環(huán)不穩(wěn)定，從而易于開環(huán)成鏈。而這些硒鏈在結(jié)晶時(shí)重排的活化能較高，導(dǎo)致傳統(tǒng)退火工藝難以越過重排勢(shì)壘，造成無序硒鏈殘留。針對(duì)該問題，他們提出了臨界熔融退火策略，從而給予硒鏈充足能量重排進(jìn)入晶格，實(shí)現(xiàn)了無序硒鏈的完全消除。基于該薄膜構(gòu)筑的硒光伏電池在1000 lux LED室內(nèi)光照射下獲得了18%的光電轉(zhuǎn)換效率，遠(yuǎn)超商業(yè)化室內(nèi)光伏非晶硅電池(10%)。制備的硒光伏組件實(shí)現(xiàn)了對(duì)商用LIR2450鋰電池的充電并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化無線電子價(jià)格標(biāo)簽的自供電，展示了硒室內(nèi)光伏器件在物聯(lián)網(wǎng)無線終端供能方面的應(yīng)用潛力。
 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Joule?2024,8,1430-1442和J. Am. Chem. Soc.?2024,146,6345-6351。論文第一作者為博士生路文博，通訊作者為薛丁江研究員。
 

圖1. 非晶硒結(jié)構(gòu)解析及開環(huán)機(jī)理研究
 

圖2.高度有序化硒鏈獲得高效硒光伏器件