近年来，物联网领域的高速发展带动了室内光伏领域的快速发展，室内光伏电池因其能够在室内低强度光照条件下输出微瓦到毫瓦的电能，成为驱动低功耗物联网传感器的理想供能方式之一。硒的吸收光谱与室内光源发射光谱完美匹配，其室内光伏效率理论极限高达55%。同时硒具有吸收系数高、稳定性强、绿色无毒、价格低廉等优势，是理想的室内光伏吸收层材料。因此，深入研究硒的材料结构与性质对于推动硒在室内光伏电池中的应用具有重要意义。
在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室胡劲松/薛丁江团队长期致力于硒室内光伏电池研究，首次揭示了硒在室内光伏领域的独特优势（Sci. Adv. 2022,8, eadc9923）。
在前期工作的基础上，该研究团队通过解析非晶硒的结构及其结晶动力学过程，揭示了硒独特的无序链缺陷性质，明确了无序链缺陷的形成机理，并提出临界熔融退火策略，成功消除了无序链缺陷，获得了高效硒光伏电池。光伏相三方硒的一维链状晶体结构使得硒晶体中易出现无序链。理论计算结果表明，无序硒链会在硒禁带中引入深缺陷能级。研究人员从非晶硒的结构解析入手，通过同步辐射X射线精细吸收谱确认了非晶硒的环状结构。通过对比硒环、硒链结构发现硒环的键角更大，表明硒环中存在较大的结构应力，导致硒环不稳定，从而易于开环成链。而这些硒链在结晶时重排的活化能较高，导致传统退火工艺难以越过重排势垒，造成无序硒链残留。针对该问题，他们提出了临界熔融退火策略，从而给予硒链充足能量重排进入晶格，实现了无序硒链的完全消除。基于该薄膜构筑的硒光伏电池在1000 lux LED室内光照射下获得了18%的光电转换效率，远超商业化室内光伏非晶硅电池（10%）。制备的硒光伏组件实现了对商用LIR2450锂电池的充电并实现了商业化无线电子价格标签的自供电，展示了硒室内光伏器件在物联网无线终端供能方面的应用潜力。
相关研究成果近日发表在Joule 2024,8,1430-1442和J. Am. Chem. Soc. 2024,146,6345-6351。论文第一作者为博士生路文博，通讯作者为薛丁江研究员。
图1. 非晶硒结构解析及开环机理研究
图2.高度有序化硒链获得高效硒光伏器件
