01 研究背景

世界上第一塊太陽能電池是由美國科學(xué)家Charles Fritts于1883年基于硒（Se）構(gòu)建而成，開啟了現(xiàn)代光伏領(lǐng)域。然而Se帶隙較寬（~1.9 eV），限制了其對太陽光的充分吸收，后續(xù)發(fā)展受阻。近年來，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的高速發(fā)展帶動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)境中低強度光進而輸出微瓦到毫瓦的電能，被公認(rèn)為是驅(qū)動低功耗物聯(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（均位于可見光區(qū)），致使其室內(nèi)理論光伏轉(zhuǎn)換效率極限高達55%；同時Se具有高吸收系數(shù)、強穩(wěn)定性、組成簡單、綠色無毒、價格低廉等優(yōu)勢，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，目前尚未見報道。

02 本文亮點

1. 本工作率先挖掘了“古老”Se電池在“年輕”室內(nèi)光伏領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢：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)及低長晶溫度，可薄膜柔性化，易于傳感器集成；低劑量下綠色無毒（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添加層通過成鍵橋連Se吸收層與TiO2電子收集層帶來的界面缺陷鈍化作用。進一步通過優(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)域的獨特優(yōu)勢

要點：

1. 通過對比太陽光和室內(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55%。

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

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

要點

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，器件整體無毒，對環(huán)境和人體無害，適合在室內(nèi)環(huán)境下使用。

2. 對比了標(biāo)準(zhǔn)太陽光和室內(nèi)光（1000 lux）照射下，Te添加層厚度分別為0.5、2.5和5 nm時的器件性能。測試表明：在標(biāo)準(zhǔn)太陽能光和室內(nèi)光下，Te的最佳厚度不同。太陽光下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)太陽能電池最高效率；室內(nèi)光下Te最佳厚度為2.5 nm，從而說明標(biāo)準(zhǔn)太陽光下的電池優(yōu)化條件并不能直接對應(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

1. 相較于標(biāo)準(zhǔn)太陽光光強（100 mW cm-2），室內(nèi)光光強通常僅為 《 1%個太陽，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，會導(dǎo)致界面復(fù)合損失。

2. 通過DFT計算表明，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，二者可以通過共價鍵連接。同時由于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Se-Te和O-Te成鍵實現(xiàn)界面橋連，鈍化界面缺陷。

4. 進一步優(yōu)化了Te添加層的覆蓋度，當(dāng)Te厚度在2.5 nm時，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)進一步增加Te厚度時，雖覆蓋率進一步提高，但過多Te會導(dǎo)致并聯(lián)電阻減小，器件性能開始快速下降。

▲圖4. Se電池組件驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)傳感器

要點

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15.1%；未封裝器件在1000 lux室內(nèi)光照射1000小時后，性能未見衰減。同時所制備的Se串聯(lián)電池組件成功驅(qū)動了物聯(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