第一作者：Bin Yan, Xinsheng Liu

通讯作者：Ding-jiang Xue

通讯单位：中科院北京分子科学国家实验室

研究亮点：

1.使用的Te粘合层也钝化了非键合Se / TiO2界面处的缺陷。

2.将Te覆盖率从6.9%优化到70.4%，将室内照明的效率优化为15.1%，在没有封装的情况下连续工作1000 h没有效率损失。

3.制造Se模组6.75 cm2，在室内照明下产生232.6 μW，可为基于射频识别的定位标签供电。

一、Se太阳能电池面临的问题与挑战

硅太阳能电池的出现，从而为现代光伏产业奠定了基础。然而，与适用于单结太阳能电池的Si（约1.12eV）带隙相比，Se在光伏应用中的一个明显缺点是其约1.9eV的宽带隙。这对于用作单吸收器光伏器件来说太大了，在AM1.5G照明下，Shockley Quiesser（S-Q）效率极限约为23%。随着硅光伏产业的快速发展，硒太阳能电池随之衰落。直到最近，随着物联网的出现，将室内光转换为可用电力的室内光伏（IPV）已被公认为最有前途的无线设备能源供应商，包括通过物联网技术连接和自动化的致动器、传感器和通信设备。因此，常用的室内光源（如发光二极管（LED）和荧光灯（FL））的400至700nm的窄发射光谱决定了室内光吸收材料的最佳带隙为~1.9eV。因此最古老的Se光伏材料，其中约1.9 eV的宽带隙使其成为IPV的理想候选材料。

二、成果简介

在此，中科院北京分子科学国家实验室Ding-jiang Xu等人报告了Se用于IPV的独特优势：适用于宽带隙（~1.9eV），使室内S-Q限值达到55%以上，吸收系数达到105cm−1以上） 低结晶温度（121°C）、组成简单、在IPV中少量使用时无毒，以及固有的环境稳定性。通过Te的使用不仅在Se和TiO2层之间提供了桥键，还钝化了非键合Se/TiO2界面处的陷阱态。结果表明，Se电池在1000勒克斯室内照明下的PCE为15.1%，在没有封装的情况下连续室内照明1000小时后，性能没有下降。进一步制造Se组件（6.75 cm2），在1000光照度的室内照明下产生232.6 μW的输出功率，为基于射频识别（RFID）的定位标签的典型物联网无线设备供电。

三、结果与讨论

要点1：硒对IPV的优势

室内人造光通常是根据人眼的灵敏度设计的，这意味着常用室内光源的发射光谱应主要在400至700nm的可见区域内，这比标准太阳光谱（AM1.5G）窄。因此，IPV的设计原理应与传统户外光伏的设计原理不同。比较了标准太阳辐照度和室内照明下的S-Q限制，与标准太阳辐照度的最佳带隙1.3至1.5 eV相比，室内光源的最佳带隙为1.8至1.9 eV，LED和FL的最大S-Q限值分别为56%和57%。与标准太阳光谱下相比，室内光源的发射光谱较窄，因而获得较高S-Q限值。


用于室内光捕获的最佳带隙~1.9 Ev，最古老的光伏材料Se，尽管由于其不适合标准太阳辐射的宽带隙而被忽视了很长时间，硒膜其带隙为~1.9 eV，吸收光谱与室内光源的吸收光谱完美匹配，在室内照明下会产生高S-Q限值（>55%）。Se还具有很高的光吸收系数（大于105 cm−1），由于其直接的光学跃迁。此外，无定形硒的低结晶温度（121°C）诱导了硒膜的低温加工，使其与大多数柔性基材（如聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯）具有高温相容性。高吸收系数和低温薄膜工艺的结合从而允许制造柔性硒薄膜光伏电池，从而能够轻松与物联网设备集成，使Se成为IPV应用的理想选择。

要点2：AM1.5G和室内光照条件下光伏性能对比

采用了玻璃/ FTO/TiO2 /碲（Te）/Se/Au用于制造Se薄膜太阳能电池。环保型钛合金被选为缓冲层，从而实现了无毒Se基器件的构建。三种类型的硒器件在0.5 nm Te器件上的平均PCE为5.5%，对于2.5 nm Te器件为5.2%，对于5 nm Te器件为3.2%，每种类型中性能最佳的器件的AM1.5G PCE分别为5.8%、5.5%和3.6%。0.5nm Te器件实现了TiO2/Se异质结太阳能电池中报告的最高PCE。来自外部量子效率（EQE）谱的积分电流密度与从J-V表征测量的短路电流密度（Jsc）值非常一致）。这些结果与之前的报告一致，当增加Te厚度时，Te层越厚，由于Te的窄带隙（0.35eV）而导致的性能越差，分流电阻越低，以及沿着器件的泄漏电流越大。


随后测量了这些Se器件在1000 lux的室内照明下的IPV性能，其中常用的LED（2700K）用作光源以模拟室内照明环境。出乎意料的是，与单太阳条件相比，具有0.5和2.5 nm Te的Se电池在室内条件下的光伏性能发生了逆转。2.5nm Te器件显示出比0.5nm Te设备（11.4%）更高的平均室内PCE（14.1%），其中5nm Te装置仍然显示出与它们的单太阳性能类似的最低室内PCE值（8.2%）上述结果表明，针对一个太阳光下的PV器件的优化可能不会针对室内光照条件起作用。

要点3：Te层效应研究


作为VI族元素的Se和Te原子易于形成Se1-xTex合金，因为它们具有相同的一维晶体结构。Se和Te原子可以通过单个螺旋链中的共价键牢固连接。大多数光生载流子将被困在Se / TiO2中由于捕获载流子与光生载流子的比率较高而产生的界面，导致陷阱辅助复合损耗考虑到Te与Se和TiO2层的桥键，我们推断，Te不仅为Se和二氧化钛层提供了报道的界面粘附效应，而且可以钝化Se/TiO2界面处由Se与TiO2之间的非键合引起的界面缺陷。DFT进一步揭示了Se链表面的悬空键导致带隙内的局域态，导致复合损失。相比之下，当在Se和TiO2层之间掺入Te时，界面陷阱态变得更离域，密度更低，因此表明Te在Se/TiO2界面处的钝化作用。

要点4：为物联网无线设备供电的应用


进一步研究了优化的2.5 nm Te器件在200、500和1000勒克斯照度下的IPV性能，在200、500 和 1000 lux 下测量的相应输入光功率密度为 63.9、156.4 和 310.4 μW cm−2。在200、500和1000勒克斯的室内照明下，这些手机的PCE分别为14.3%、14.5%和15.1%。值得注意的是，室内照明下的PCE值相对于单太阳照明下的PCE增加了约三倍，表明Se吸收光谱与室内光源完美匹配。未封装的器件在室温和50%至85%相对湿度下在环境大气中连续室内照明1000小时后显示出可忽略不计的PCE损失。最终试图展示Se设备为物联网无线设备供电的能力。Se 模块 （3 × 2.25 cm2） 实现 11.1% 的 PCE，V超频在 1000 勒克斯室内照明下为 2.1 V，产生 232.6 μW 输出功率。这足以在室内光线照射下为RFID标签供电。

四、小结

总之，作者重温了世界上最古老的硒光伏材料，IPV的出现源于其独特的优势：适合室内光采集的宽带隙，高吸收系数，低温薄膜工艺，成分简单，IPV中应用量无毒，固有环境稳定性。通过优化Te层的覆盖率，我们在1000勒克斯室内照明下实现了15.1%的Se电池的PCE，超过了目前IPV行业标准的a-Si电池，室内效率低于10%。未封装的硒器件在1000勒克斯的室内连续照明1000小时后没有表现出性能下降。进一步制造了硒组件电池（3×2.25cm2），在 1000 lux室内照明下产生 232.6 μW 输出功率。这项研究证明了硒在IPV和物联网方面的巨大潜力，重新获得了硒作为光伏有吸引力的吸收剂的地位。

五、参考文献

Bin Yan, Xinsheng Liu et al. Indoor photovoltaics awaken the world’s first solar cell, Science Advances (2022)

Doi: 10.1126/sciadv.adc9923（2022）.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9923

原标题：Science Advances: 这类太阳能电池唤醒室内光伏