近年來，物聯網領域的高速發展帶動了室內光伏領域的快速發展，室內光伏電池因其能夠在室內低強度光照條件下輸出微瓦到毫瓦的電能，成為驅動低功耗物聯網傳感器的理想供能方式之一。硒的吸收光譜與室內光源發射光譜完美匹配，其室內光伏效率理論極限高達55%。同時硒具有吸收系數高、穩定性強、綠色無毒、價格低廉等優勢，是理想的室內光伏吸收層材料。因此，深入研究硒的材料結構與性質對于推動硒在室內光伏電池中的應用具有重要意義。
 

　　在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，化學研究所分子納米結構與納米技術院重點實驗室胡勁松/薛丁江團隊長期致力于硒室內光伏電池研究，首次揭示了硒在室內光伏領域的獨特優勢(Sci. Adv.?2022,8, eadc9923)。
 

　　在前期工作的基礎上，該研究團隊通過解析非晶硒的結構及其結晶動力學過程，揭示了硒獨特的無序鏈缺陷性質，明確了無序鏈缺陷的形成機理，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構使得硒晶體中易出現無序鏈。理論計算結果表明，無序硒鏈會在硒禁帶中引入深缺陷能級。研究人員從非晶硒的結構解析入手，通過同步輻射X射線精細吸收譜確認了非晶硒的環狀結構。通過對比硒環、硒鏈結構發現硒環的鍵角更大，表明硒環中存在較大的結構應力，導致硒環不穩定，從而易于開環成鏈。而這些硒鏈在結晶時重排的活化能較高，導致傳統退火工藝難以越過重排勢壘，造成無序硒鏈殘留。針對該問題，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入晶格，實現了無序硒鏈的完全消除。基于該薄膜構筑的硒光伏電池在1000 lux LED室內光照射下獲得了18%的光電轉換效率，遠超商業化室內光伏非晶硅電池(10%)。制備的硒光伏組件實現了對商用LIR2450鋰電池的充電并實現了商業化無線電子價格標簽的自供電，展示了硒室內光伏器件在物聯網無線終端供能方面的應用潛力。
 

　　相關研究成果發表在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. 非晶硒結構解析及開環機理研究
 

圖2.高度有序化硒鏈獲得高效硒光伏器件