近日，我校电气与自动化工程学院周儒课题组在先进室内光伏技术领域取得最新进展，相关研究成果以“Additive engineering for Sb2S3indoor photovoltaics with efficiency exceeding 17%”为题在线发表于Nature合作期刊《Light: Science & Applications》，该刊为光学领域国际顶级学术期刊。
物联网技术的快速发展带来各类智能终端市场呈指数级增长。此类终端节点通常设计为循环运行且功耗较低（微瓦到毫瓦量级），可持续能源供给是物联网技术成功实施的重要保障。目前，自主物联网终端节点主要利用储能电池供电。然而，使用储能电池寿命有限，严重制约数据传输距离和频率，且应用范围也仅限于允许更换电池的场景。当物联网生态系统发展到终端数量达万亿设备的水平时，每天将需要更换或充电数亿块电池，从而产生大量的运营和维护成本。室内光伏（Indoor photovoltaics）从环境照明（人工光源或日光）中收集能量，可为基于低功耗蓝牙、RFID标签、LoRa、无源Wi-Fi、Zigbee、ANT等通信协议的无线物联网节点提供可持续电力供给。室内照明无处不在，室内光伏依赖于辐射能量传输，使其部署范围广。此外，与其他环境能量收集技术相比，室内光伏可提供相对较高的能量密度。因此，室内光伏作为一种面向物联网应用的可持续环境能量采集解决方案越来越受关注。
为此，周儒课题组与牛津大学、中国科学技术大学等单位合作，基于环境友好型硫化锑（Sb2S3）半导体材料开发高性能室内光伏器件，并成功实现面向自驱动物联网的低功耗传感器应用演示, 展示出Sb2S3光伏器件应用于室内环境能量收集的广阔前景。Sb2S3是一种储量丰富、低毒性、理化性质稳定的半导体材料，其带隙约为1.75 eV，十分接近室内光伏应用的最佳带隙值。研究团队基于添加剂工程策略有效改善Sb2S3薄膜质量，成功开发高效平面异质结Sb2S3薄膜太阳能电池，在一个太阳（AM1.5G，100 mW cm-2）光照下的光电转换效率为7.22%。同时，器件在低照度室内光照下表现出优异的室内光伏性能，在照度为1000 lux的WLED辐照下，器件效率达17.55%。与受到广泛研究的Ag-Bi-I、BiOI、空位有序钙钛矿等新兴室内光伏材料相比，该研究中Sb2S3太阳能电池超过17%的室内光伏效率是该领域的重要进展。进一步，研究团队首次将高效Sb2S3太阳能电池应用于自驱动物联网。通过子电池串联获得Sb2S3小型模组（5×1 cm2），在照度为1000 lux的WLED辐照下器件效率为12.82%，最大功率点输出功率为187.17 μW。与商用氢化非晶硅室内光伏产品相比，该Sb2S3小型模组在光电转换效率和输出功率方面都表现出竞争优势。在日常办公室WLED照明条件下，利用该模组将室内环境光能转换为电能，成功驱动低功耗物联网多传感器平台稳定工作。传感器通过低功耗蓝牙与手机通信，实现实时监测和收集环境数据。该工作不仅为进一步提升Sb2S3太阳能电池光伏性能给出有益参考，同时也为面向物联网应用的环境能量采集提供了有效解决方案，有望推动先进室内光伏技术快速发展。
图1 AM1.5G标准光照下硫化锑薄膜太阳能电池性能
图2 硫化锑室内光伏性能及其物联网应用演示
合肥工业大学为论文第一署名单位。合肥工业大学硕士生陈骁和中国科学技术大学博士生舒晓萱为论文共同第一作者。合肥工业大学周儒副教授、中国科学技术大学陈洁洁教授、牛津大学Robert Hoye副教授为共同通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等经费资助。