近年来，随着叠层太阳能电池和室内光伏技术的快速发展，对宽带隙吸收层材料的需求日益增长。硒作为光伏领域首个固态太阳能电池吸收层材料，凭借其本征宽带隙特性重新引起广泛关注。硒具有高吸收系数、优异稳定性、环境友好性以及低成本优势，成为极具潜力的宽带隙光伏吸收层材料。然而，原料硒中的伴生杂质难题以及硒的低维结构特性，成为制约硒光伏器件性能提升的关键瓶颈。因此，高纯硒薄膜的制备和硒薄膜的生长取向调控，对推动硒光伏电池性能的提升具有重要意义。

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实验室胡劲松/薛丁江团队长期致力于硒光伏电池研究，取得了一系列重要进展(Sci. Adv.2022,8, eadc9923;Joule2024,8,1430-1442;J. Am. Chem. Soc.2024,146,6345-6351)。

近期，该团队在前期研究的基础上，针对硒原料中的伴生碲杂质难题，从硒和碲的底层理化性质入手，揭示了硒在硫属元素中的反常强抗氧化性。通过原子尺度的解析，他们发现硒的强抗氧化性源于其类镧系收缩效应，该效应显著增加了硒4p轨道电子的有效核电荷数，从而提高了其氧化活化能。基于硒与碲抗氧化性差异，该团队提出了选择性氧化策略：通过将原料硒中的易挥发杂质碲氧化为难挥发的二氧化碲，实现了在热蒸发过程中同步去除杂质与沉积高纯硒薄膜。基于这种高纯硒薄膜构筑的室内光伏电池，在1000 lux室内光照条件下，光电转换效率达20.1%，为现有报道硒室内光伏电池的最高效率。相关研究成果近日发表在Angew. Chem. Int. Ed.2025,64,e202413429。论文第一作者为博士生路文博，通讯作者为薛丁江研究员和林原研究员。

在突破杂质提纯瓶颈后，该团队揭示了硒的低维结构特性成为限制其光伏性能进一步提升的关键因素。作为光伏相的三方硒，其一维链状晶体结构导致多晶硒薄膜在制备过程中优先沿表面能最低的[h00]晶向(即链-基底平行取向)生长，迫使光生载流子只能通过链间弱范德华力进行低效传输。针对这一传输瓶颈，他们深入解析了低维结构硒薄膜生长取向的调控机制，揭示了表面能和界面键合的双重调控作用机制。基于此，团队提出了利用高活性Se₂结合基底加热的策略，实现了硒与TiO₂基底的化学键合，成功制备出链与基底垂直的站立取向硒薄膜。与传统的平行取向薄膜相比，该垂直取向薄膜的载流子迁移率提升了4倍。基于该垂直取向薄膜构筑的硒太阳能电池在AM1.5G光照条件下，实现了8.1%的光电转换效率，为现有报道硒太阳能电池的最高效率。相关研究成果近日发表在Adv. Mater.2025,37,2410835。论文第一作者为硕士生刘庆祥，通讯作者为薛丁江研究员。

图1. 选择性氧化提纯策略示意图

图2. 界面键合调控硒薄膜生长取向

分子纳米结构与纳米技术实验室

2025年3月27日