【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近年來，物聯(lián)網(wǎng)領域的高速發(fā)展帶動了室內(nèi)光伏領域的快速發(fā)展，室內(nèi)光伏電池因其能夠在室內(nèi)低強度光照條件下輸出微瓦到毫瓦的電能，成為驅(qū)動低功耗物聯(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55%。同時硒具有吸收系數(shù)高、穩(wěn)定性強、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。因此，深入研究硒的材料結構與性質(zhì)對于推動硒在室內(nèi)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(nèi)光伏電池研究，首次揭示了硒在室內(nèi)光伏領域的獨特優(yōu)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(zhì)，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(xiàn)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(huán)狀結構。通過對比硒環(huán)、硒鏈結構發(fā)現(xiàn)硒環(huán)的鍵角更大，表明硒環(huán)中存在較大的結構應力，導致硒環(huán)不穩(wěn)定，從而易于開環(huán)成鏈。而這些硒鏈在結晶時重排的活化能較高，導致傳統(tǒng)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(xiàn)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(nèi)光照射下獲得了18%的光電轉(zhuǎn)換效率，遠超商業(yè)化室內(nèi)光伏非晶硅電池(10%)。制備的硒光伏組件實現(xiàn)了對商用LIR2450鋰電池的充電并實現(xiàn)了商業(yè)化無線電子價格標簽的自供電，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用潛力。
 

　　相關研究成果發(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. 非晶硒結構解析及開環(huán)機理研究
 

圖2.高度有序化硒鏈獲得高效硒光伏器件