01 研究背景

世界上第一塊太陽能電池是由美國科學家Charles Fritts于1883年基于硒（Se）構建而成，開啟了現代光伏領域。然而Se帶隙較寬（~1.9 eV），限制了其對太陽光的充分吸收，后續發展受阻。近年來，物聯網領域的高速發展帶動了能為之供能的室內光伏領域的快速發展。室內光伏電池可吸收室內環境中低強度光進而輸出微瓦到毫瓦的電能，被公認為是驅動低功耗物聯網傳感器的最佳供能方式之一。Se吸收光譜與室內光源發射光譜完美匹配（均位于可見光區），致使其室內理論光伏轉換效率極限高達55%；同時Se具有高吸收系數、強穩定性、組成簡單、綠色無毒、價格低廉等優勢，是理想的室內光伏吸收層材料。然而，關于Se室內光伏方面的系統研究，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”室內光伏領域的獨特優勢：本征帶隙在室內光伏最佳帶隙區間（1.8-1.9 eV）；高吸收系數及低長晶溫度，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為熱力學最穩定相；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。進一步通過優化Te鈍化層覆蓋度，大幅提升了Se室內光伏電池光電轉換效率。

3. 制備出室內光電轉換效率達15.1%的Se電池，優于目前商業化的室內光伏非晶硅電池性能，成功驅動了物聯網定位傳感器RFID電子標簽，展示在其在物聯網領域的極大應用前景。

03 圖文解析

▲圖1.Se在室內光伏領域的獨特優勢

要點：

1. 通過對比太陽光和室內光（發光二極管（LED）和熒光燈（FL））發射光譜，明確了室內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）恰好位于室內光伏最佳帶隙區間范圍內，其室內理論光電轉換效率高達55%。

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

▲圖2. Se電池在標準太陽光和室內光下性能對比

要點

1. Se光伏器件采用頂襯結構，電子收集層采用環境友好的TiO2，器件整體無毒，對環境和人體無害，適合在室內環境下使用。

2. 對比了標準太陽光和室內光（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：在標準太陽能光和室內光下，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異質結太陽能電池最高效率；室內光下Te最佳厚度為2.5 nm，從而說明標準太陽光下的電池優化條件并不能直接對應室內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. 相較于標準太陽光光強（100 mW cm-2），室內光光強通常僅為 《 1%個太陽，產生的光生載流子濃度極低，若Se/TiO2界面處存在高密度缺陷，會導致界面復合損失。

2. 通過DFT計算表明，Se-O成鍵活化能較高，難以成鍵，從而導致Se/TiO2界面間存在大量懸掛鍵缺陷。

3. Se和Te同族，化學性質接近，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成鍵實現界面橋連，鈍化界面缺陷。

4. 進一步優化了Te添加層的覆蓋度，當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的Se室內光伏電池性能。當進一步增加Te厚度時，雖覆蓋率進一步提高，但過多Te會導致并聯電阻減小，器件性能開始快速下降。

▲圖4. Se電池組件驅動物聯網傳感器

要點

在1000 lux室內光照射下，所制備的Se光伏電池光電轉換效率達15.1%；未封裝器件在1000 lux室內光照射1000小時后，性能未見衰減。同時所制備的Se串聯電池組件成功驅動了物聯網定位RFID電子標簽，展示了Se室內光伏器件在物聯網領域供能方面的巨大應用潛力。

審核編輯 ：李倩