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第一作者：Bin Yan, Xinsheng Liu

通訊作者：Ding-jiang Xue

通訊單位：中科院北京分子科學(xué)國家實驗室

研究亮點：

1.使用的Te粘合層也鈍化了非鍵合Se / TiO2界面處的缺陷。

2.將Te覆蓋率從6.9%優(yōu)化到70.4%，將室內(nèi)照明的效率優(yōu)化為15.1%，在沒有封裝的情況下連續(xù)工作1000 h沒有效率損失。

3.制造Se模組6.75 cm2，在室內(nèi)照明下產(chǎn)生232.6 μW，可為基于射頻識別的定位標(biāo)簽供電。

一、Se太陽能電池面臨的問題與挑戰(zhàn)

硅太陽能電池的出現(xiàn)，從而為現(xiàn)代光伏產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。然而，與適用于單結(jié)太陽能電池的Si（約1.12eV）帶隙相比，Se在光伏應(yīng)用中的一個明顯缺點是其約1.9eV的寬帶隙。這對于用作單吸收器光伏器件來說太大了，在AM1.5G照明下，Shockley Quiesser（S-Q）效率極限約為23%。隨著硅光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，硒太陽能電池隨之衰落。直到最近，隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，將室內(nèi)光轉(zhuǎn)換為可用電力的室內(nèi)光伏（IPV）已被公認(rèn)為最有前途的無線設(shè)備能源供應(yīng)商，包括通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接和自動化的致動器、傳感器和通信設(shè)備。因此，常用的室內(nèi)光源（如發(fā)光二極管（LED）和熒光燈（FL））的400至700nm的窄發(fā)射光譜決定了室內(nèi)光吸收材料的最佳帶隙為~1.9eV。因此最古老的Se光伏材料，其中約1.9 eV的寬帶隙使其成為IPV的理想候選材料。

二、成果簡介

在此，中科院北京分子科學(xué)國家實驗室Ding-jiang Xu等人報告了Se用于IPV的獨特優(yōu)勢：適用于寬帶隙（~1.9eV），使室內(nèi)S-Q限值達(dá)到55%以上，吸收系數(shù)達(dá)到105cm−1以上） 低結(jié)晶溫度（121°C）、組成簡單、在IPV中少量使用時無毒，以及固有的環(huán)境穩(wěn)定性。通過Te的使用不僅在Se和TiO2層之間提供了橋鍵，還鈍化了非鍵合Se/TiO2界面處的陷阱態(tài)。結(jié)果表明，Se電池在1000勒克斯室內(nèi)照明下的PCE為15.1%，在沒有封裝的情況下連續(xù)室內(nèi)照明1000小時后，性能沒有下降。進(jìn)一步制造Se組件（6.75 cm2），在1000光照度的室內(nèi)照明下產(chǎn)生232.6 μW的輸出功率，為基于射頻識別（RFID）的定位標(biāo)簽的典型物聯(lián)網(wǎng)無線設(shè)備供電。

三、結(jié)果與討論

要點1：硒對IPV的優(yōu)勢

室內(nèi)人造光通常是根據(jù)人眼的靈敏度設(shè)計的，這意味著常用室內(nèi)光源的發(fā)射光譜應(yīng)主要在400至700nm的可見區(qū)域內(nèi)，這比標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜（AM1.5G）窄。因此，IPV的設(shè)計原理應(yīng)與傳統(tǒng)戶外光伏的設(shè)計原理不同。比較了標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照度和室內(nèi)照明下的S-Q限制，與標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照度的最佳帶隙1.3至1.5 eV相比，室內(nèi)光源的最佳帶隙為1.8至1.9 eV，LED和FL的最大S-Q限值分別為56%和57%。與標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜下相比，室內(nèi)光源的發(fā)射光譜較窄，因而獲得較高S-Q限值。


用于室內(nèi)光捕獲的最佳帶隙~1.9 Ev，最古老的光伏材料Se，盡管由于其不適合標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射的寬帶隙而被忽視了很長時間，硒膜其帶隙為~1.9 eV，吸收光譜與室內(nèi)光源的吸收光譜完美匹配，在室內(nèi)照明下會產(chǎn)生高S-Q限值（>55%）。Se還具有很高的光吸收系數(shù)（大于105 cm−1），由于其直接的光學(xué)躍遷。此外，無定形硒的低結(jié)晶溫度（121°C）誘導(dǎo)了硒膜的低溫加工，使其與大多數(shù)柔性基材（如聚酰亞胺和聚對苯二甲酸乙二醇酯）具有高溫相容性。高吸收系數(shù)和低溫薄膜工藝的結(jié)合從而允許制造柔性硒薄膜光伏電池，從而能夠輕松與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成，使Se成為IPV應(yīng)用的理想選擇。

要點2：AM1.5G和室內(nèi)光照條件下光伏性能對比

采用了玻璃/ FTO/TiO2 /碲（Te）/Se/Au用于制造Se薄膜太陽能電池。環(huán)保型鈦合金被選為緩沖層，從而實現(xiàn)了無毒Se基器件的構(gòu)建。三種類型的硒器件在0.5 nm Te器件上的平均PCE為5.5%，對于2.5 nm Te器件為5.2%，對于5 nm Te器件為3.2%，每種類型中性能最佳的器件的AM1.5G PCE分別為5.8%、5.5%和3.6%。0.5nm Te器件實現(xiàn)了TiO2/Se異質(zhì)結(jié)太陽能電池中報告的最高PCE。來自外部量子效率（EQE）譜的積分電流密度與從J-V表征測量的短路電流密度（Jsc）值非常一致）。這些結(jié)果與之前的報告一致，當(dāng)增加Te厚度時，Te層越厚，由于Te的窄帶隙（0.35eV）而導(dǎo)致的性能越差，分流電阻越低，以及沿著器件的泄漏電流越大。


隨后測量了這些Se器件在1000 lux的室內(nèi)照明下的IPV性能，其中常用的LED（2700K）用作光源以模擬室內(nèi)照明環(huán)境。出乎意料的是，與單太陽條件相比，具有0.5和2.5 nm Te的Se電池在室內(nèi)條件下的光伏性能發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。2.5nm Te器件顯示出比0.5nm Te設(shè)備（11.4%）更高的平均室內(nèi)PCE（14.1%），其中5nm Te裝置仍然顯示出與它們的單太陽性能類似的最低室內(nèi)PCE值（8.2%）上述結(jié)果表明，針對一個太陽光下的PV器件的優(yōu)化可能不會針對室內(nèi)光照條件起作用。

要點3：Te層效應(yīng)研究


作為VI族元素的Se和Te原子易于形成Se1-xTex合金，因為它們具有相同的一維晶體結(jié)構(gòu)。Se和Te原子可以通過單個螺旋鏈中的共價鍵牢固連接。大多數(shù)光生載流子將被困在Se / TiO2中由于捕獲載流子與光生載流子的比率較高而產(chǎn)生的界面，導(dǎo)致陷阱輔助復(fù)合損耗考慮到Te與Se和TiO2層的橋鍵，我們推斷，Te不僅為Se和二氧化鈦層提供了報道的界面粘附效應(yīng)，而且可以鈍化Se/TiO2界面處由Se與TiO2之間的非鍵合引起的界面缺陷。DFT進(jìn)一步揭示了Se鏈表面的懸空鍵導(dǎo)致帶隙內(nèi)的局域態(tài)，導(dǎo)致復(fù)合損失。相比之下，當(dāng)在Se和TiO2層之間摻入Te時，界面陷阱態(tài)變得更離域，密度更低，因此表明Te在Se/TiO2界面處的鈍化作用。

要點4：為物聯(lián)網(wǎng)無線設(shè)備供電的應(yīng)用


進(jìn)一步研究了優(yōu)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 下測量的相應(yīng)輸入光功率密度為 63.9、156.4 和 310.4 μW cm−2。在200、500和1000勒克斯的室內(nèi)照明下，這些手機(jī)的PCE分別為14.3%、14.5%和15.1%。值得注意的是，室內(nèi)照明下的PCE值相對于單太陽照明下的PCE增加了約三倍，表明Se吸收光譜與室內(nèi)光源完美匹配。未封裝的器件在室溫和50%至85%相對濕度下在環(huán)境大氣中連續(xù)室內(nèi)照明1000小時后顯示出可忽略不計的PCE損失。最終試圖展示Se設(shè)備為物聯(lián)網(wǎng)無線設(shè)備供電的能力。Se 模塊 （3 × 2.25 cm2） 實現(xiàn) 11.1% 的 PCE，V超頻在 1000 勒克斯室內(nèi)照明下為 2.1 V，產(chǎn)生 232.6 μW 輸出功率。這足以在室內(nèi)光線照射下為RFID標(biāo)簽供電。

四、小結(jié)

總之，作者重溫了世界上最古老的硒光伏材料，IPV的出現(xiàn)源于其獨特的優(yōu)勢：適合室內(nèi)光采集的寬帶隙，高吸收系數(shù)，低溫薄膜工藝，成分簡單，IPV中應(yīng)用量無毒，固有環(huán)境穩(wěn)定性。通過優(yōu)化Te層的覆蓋率，我們在1000勒克斯室內(nèi)照明下實現(xiàn)了15.1%的Se電池的PCE，超過了目前IPV行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的a-Si電池，室內(nèi)效率低于10%。未封裝的硒器件在1000勒克斯的室內(nèi)連續(xù)照明1000小時后沒有表現(xiàn)出性能下降。進(jìn)一步制造了硒組件電池（3×2.25cm2），在 1000 lux室內(nèi)照明下產(chǎn)生 232.6 μW 輸出功率。這項研究證明了硒在IPV和物聯(lián)網(wǎng)方面的巨大潛力，重新獲得了硒作為光伏有吸引力的吸收劑的地位。

五、參考文獻(xiàn)

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

原標(biāo)題：Science Advances: 這類太陽能電池喚醒室內(nèi)光伏