01 研究背景

世界上第一塊太陽(yáng)能電池是由美國(guó)科學(xué)家Charles Fritts于1883年基于硒（Se）構(gòu)建而成，開(kāi)啟了現(xiàn)代光伏領(lǐng)域。然而Se帶隙較寬（~1.9 eV），限制了其對(duì)太陽(yáng)光的充分吸收，后續(xù)發(fā)展受阻。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的高速發(fā)展帶動(dòng)了能為之供能的室內(nèi)光伏領(lǐng)域的快速發(fā)展。室內(nèi)光伏電池可吸收室內(nèi)環(huán)境中低強(qiáng)度光進(jìn)而輸出微瓦到毫瓦的電能，被公認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)低功耗物聯(lián)網(wǎng)傳感器的最佳供能方式之一。Se吸收光譜與室內(nèi)光源發(fā)射光譜完美匹配（均位于可見(jiàn)光區(qū)），致使其室內(nèi)理論光伏轉(zhuǎn)換效率極限高達(dá)55%；同時(shí)Se具有高吸收系數(shù)、強(qiáng)穩(wěn)定性、組成簡(jiǎn)單、綠色無(wú)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。然而，關(guān)于Se室內(nèi)光伏方面的系統(tǒng)研究，目前尚未見(jiàn)報(bào)道。

02 本文亮點(diǎn)

1. 本工作率先挖掘了“古老”Se電池在“年輕”室內(nèi)光伏領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：本征帶隙在室內(nèi)光伏最佳帶隙區(qū)間（1.8-1.9 eV）；高吸收系數(shù)及低長(zhǎng)晶溫度，可薄膜柔性化，易于傳感器集成；低劑量下綠色無(wú)毒（Se為人體必需微量元素）；光伏相三方Se為熱力學(xué)最穩(wěn)定相；成本低廉，1 m2 Se薄膜成本約為0.8元（1 微米膜厚）。

2. 揭示了Te添加層通過(guò)成鍵橋連Se吸收層與TiO2電子收集層帶來(lái)的界面缺陷鈍化作用。進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化Te鈍化層覆蓋度，大幅提升了Se室內(nèi)光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率。

3. 制備出室內(nèi)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)15.1%的Se電池，優(yōu)于目前商業(yè)化的室內(nèi)光伏非晶硅電池性能，成功驅(qū)動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)定位傳感器RFID電子標(biāo)簽，展示在其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的極大應(yīng)用前景。

03 圖文解析

▲圖1.Se在室內(nèi)光伏領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

要點(diǎn)：

1. 通過(guò)對(duì)比太陽(yáng)光和室內(nèi)光（發(fā)光二極管（LED）和熒光燈（FL））發(fā)射光譜，明確了室內(nèi)光伏電池吸收層材料的最佳帶隙在1.8-1.9 eV。

2. Se帶隙（~1.88 eV）恰好位于室內(nèi)光伏最佳帶隙區(qū)間范圍內(nèi)，其室內(nèi)理論光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)55%。

3. 同時(shí)，Se具有高吸收系數(shù)（105 cm-2）、低熔點(diǎn)（217℃）、綠色無(wú)毒、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，是室內(nèi)光伏吸收層的理想材料。

▲圖2. Se電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光和室內(nèi)光下性能對(duì)比

要點(diǎn)

1. Se光伏器件采用頂襯結(jié)構(gòu)，電子收集層采用環(huán)境友好的TiO2，器件整體無(wú)毒，對(duì)環(huán)境和人體無(wú)害，適合在室內(nèi)環(huán)境下使用。

2. 對(duì)比了標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光和室內(nèi)光（1000 lux）照射下，Te添加層厚度分別為0.5、2.5和5 nm時(shí)的器件性能。測(cè)試表明：在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能光和室內(nèi)光下，Te的最佳厚度不同。太陽(yáng)光下Te最佳厚度為0.5 nm，器件最高效率為5.8%。該效率為目前TiO2/Se異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池最高效率；室內(nèi)光下Te最佳厚度為2.5 nm，從而說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下的電池優(yōu)化條件并不能直接對(duì)應(yīng)室內(nèi)光伏電池的最佳條件。

▲圖3. Te添加層的橋連鈍化作用

要點(diǎn)

1. 相較于標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光光強(qiáng)（100 mW cm-2），室內(nèi)光光強(qiáng)通常僅為 《 1%個(gè)太陽(yáng)，產(chǎn)生的光生載流子濃度極低，若Se/TiO2界面處存在高密度缺陷，會(huì)導(dǎo)致界面復(fù)合損失。

2. 通過(guò)DFT計(jì)算表明，Se-O成鍵活化能較高，難以成鍵，從而導(dǎo)致Se/TiO2界面間存在大量懸掛鍵缺陷。

3. Se和Te同族，化學(xué)性質(zhì)接近，二者可以通過(guò)共價(jià)鍵連接。同時(shí)由于Te-O成鍵活化能低，Te易于TiO2成鍵，因此在Se和TiO2功能層間引入Te層，可通過(guò)Se-Te和O-Te成鍵實(shí)現(xiàn)界面橋連，鈍化界面缺陷。

4. 進(jìn)一步優(yōu)化了Te添加層的覆蓋度，當(dāng)Te厚度在2.5 nm時(shí)，界面缺陷濃度從3.9 × 1012 cm?2降低至6.5 × 1011 cm?2，從而解釋了該厚度下最優(yōu)的Se室內(nèi)光伏電池性能。當(dāng)進(jìn)一步增加Te厚度時(shí)，雖覆蓋率進(jìn)一步提高，但過(guò)多Te會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)電阻減小，器件性能開(kāi)始快速下降。

▲圖4. Se電池組件驅(qū)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器

要點(diǎn)

在1000 lux室內(nèi)光照射下，所制備的Se光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)15.1%；未封裝器件在1000 lux室內(nèi)光照射1000小時(shí)后，性能未見(jiàn)衰減。同時(shí)所制備的Se串聯(lián)電池組件成功驅(qū)動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)定位RFID電子標(biāo)簽，展示了Se室內(nèi)光伏器件在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域供能方面的巨大應(yīng)用潛力。

審核編輯 ：李倩