近日，我校電氣與自動化工程學(xué)院周儒課題組在先進(jìn)室內(nèi)光伏技術(shù)領(lǐng)域取得最新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Additive engineering for Sb2S3indoor photovoltaics with efficiency exceeding 17%”為題在線發(fā)表于Nature合作期刊《Light: Science & Applications》，該刊為光學(xué)領(lǐng)域國際頂級學(xué)術(shù)期刊。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展帶來各類智能終端市場呈指數(shù)級增長。此類終端節(jié)點通常設(shè)計為循環(huán)運行且功耗較低（微瓦到毫瓦量級），可持續(xù)能源供給是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成功實施的重要保障。目前，自主物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點主要利用儲能電池供電。然而，使用儲能電池壽命有限，嚴(yán)重制約數(shù)據(jù)傳輸距離和頻率，且應(yīng)用范圍也僅限于允許更換電池的場景。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展到終端數(shù)量達(dá)萬億設(shè)備的水平時，每天將需要更換或充電數(shù)億塊電池，從而產(chǎn)生大量的運營和維護(hù)成本。室內(nèi)光伏（Indoor photovoltaics）從環(huán)境照明（人工光源或日光）中收集能量，可為基于低功耗藍(lán)牙、RFID標(biāo)簽、LoRa、無源Wi-Fi、Zigbee、ANT等通信協(xié)議的無線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供可持續(xù)電力供給。室內(nèi)照明無處不在，室內(nèi)光伏依賴于輻射能量傳輸，使其部署范圍廣。此外，與其他環(huán)境能量收集技術(shù)相比，室內(nèi)光伏可提供相對較高的能量密度。因此，室內(nèi)光伏作為一種面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可持續(xù)環(huán)境能量采集解決方案越來越受關(guān)注。
為此，周儒課題組與牛津大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位合作，基于環(huán)境友好型硫化銻（Sb2S3）半導(dǎo)體材料開發(fā)高性能室內(nèi)光伏器件，并成功實現(xiàn)面向自驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)的低功耗傳感器應(yīng)用演示, 展示出Sb2S3光伏器件應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境能量收集的廣闊前景。Sb2S3是一種儲量豐富、低毒性、理化性質(zhì)穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料，其帶隙約為1.75 eV，十分接近室內(nèi)光伏應(yīng)用的最佳帶隙值。研究團(tuán)隊基于添加劑工程策略有效改善Sb2S3薄膜質(zhì)量，成功開發(fā)高效平面異質(zhì)結(jié)Sb2S3薄膜太陽能電池，在一個太陽（AM1.5G，100 mW cm-2）光照下的光電轉(zhuǎn)換效率為7.22%。同時，器件在低照度室內(nèi)光照下表現(xiàn)出優(yōu)異的室內(nèi)光伏性能，在照度為1000 lux的WLED輻照下，器件效率達(dá)17.55%。與受到廣泛研究的Ag-Bi-I、BiOI、空位有序鈣鈦礦等新興室內(nèi)光伏材料相比，該研究中Sb2S3太陽能電池超過17%的室內(nèi)光伏效率是該領(lǐng)域的重要進(jìn)展。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊首次將高效Sb2S3太陽能電池應(yīng)用于自驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)。通過子電池串聯(lián)獲得Sb2S3小型模組（5×1 cm2），在照度為1000 lux的WLED輻照下器件效率為12.82%，最大功率點輸出功率為187.17 μW。與商用氫化非晶硅室內(nèi)光伏產(chǎn)品相比，該Sb2S3小型模組在光電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率方面都表現(xiàn)出競爭優(yōu)勢。在日常辦公室WLED照明條件下，利用該模組將室內(nèi)環(huán)境光能轉(zhuǎn)換為電能，成功驅(qū)動低功耗物聯(lián)網(wǎng)多傳感器平臺穩(wěn)定工作。傳感器通過低功耗藍(lán)牙與手機(jī)通信，實現(xiàn)實時監(jiān)測和收集環(huán)境數(shù)據(jù)。該工作不僅為進(jìn)一步提升Sb2S3太陽能電池光伏性能給出有益參考，同時也為面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的環(huán)境能量采集提供了有效解決方案，有望推動先進(jìn)室內(nèi)光伏技術(shù)快速發(fā)展。
圖1 AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)光照下硫化銻薄膜太陽能電池性能
圖2 硫化銻室內(nèi)光伏性能及其物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用演示
合肥工業(yè)大學(xué)為論文第一署名單位。合肥工業(yè)大學(xué)碩士生陳驍和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生舒曉萱為論文共同第一作者。合肥工業(yè)大學(xué)周儒副教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳潔潔教授、牛津大學(xué)Robert Hoye副教授為共同通訊作者。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金等經(jīng)費資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01620-0
（周儒/文 周儒/圖 孫偉/審核）
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