过渡金属二硫族化合物太阳能电池用于室内物联网能源的潜力

本文研究表明过渡金属二硫族化合物（TMDs）太阳能电池在室内有高转换效率，有望用于物联网供能。

　　

一、引言

随着物联网（IoT）的蓬勃发展，为其设备提供稳定能源的需求愈发迫切，尤其是在室内环境中。室内光伏（PV）技术成为解决这一问题的可持续方案，能满足众多传感器和设备的能源需求，这些设备是医疗、制造、基础设施和能源等数据驱动行业的重要支撑。预计未来十年，数十亿无线传感器将被部署，其中大量位于室内，以实现持续数据采集和系统优化。

目前，已有多种室内 PV 技术被探索，如非晶硅（a-Si）、染料敏化太阳能电池（DSSCs）、有机光伏、钙钛矿太阳能电池等。然而，这些技术在效率、稳定性和生产可扩展性方面都面临着挑战。在新兴的室内 PV 材料和技术中，过渡金属二硫族化合物（TMDs），如 MoS₂、MoSe₂、WS₂和 WSe₂，因其具有高吸收系数、接近理想的带隙和自钝化表面等特性而备受关注。已有模型显示，经过设计优化，即使在现有材料质量下，超薄 TMD 太阳能电池（约 50nm）在户外 AM 1.5G 光谱下可实现 25% 的功率转换效率，比现有太阳能电池技术的比功率高 10 倍。但此前尚未有研究对 TMD 太阳能电池在室内的性能进行量化分析。

在本研究中，研究人员针对由多层（≥5nm 厚）MoS₂、MoSe₂、WS₂和 WSe₂制成的单结太阳能电池，在不同材料质量和多种室内光照条件下，给出了厚度相关的效率极限。研究采用了一种此前未应用于室内 PV 技术的实际详细平衡模型，该模型纳入了测量的光学特性以及辐射复合、俄歇复合和肖克利 - 里德 - 霍尔（SRH）复合等多种复合机制。研究人员分析了这些太阳能电池在多种室内光源下的性能，包括紧凑型荧光灯（CFL）、发光二极管（LED）、卤素灯和低强度 AM 1.5G 照明，并将光照强度调整到常见室内场所（从停车场的 50 勒克斯到零售店的 500 勒克斯）的典型照度水平。研究发现，TMD 太阳能电池在 CFL、LED、卤素灯和低光 AM 1.5G 照明下，功率转换效率分别可达 36.5%、35.6%、11.2% 和 27.6%，这表明 TMDs 相较于现有室内 PV 技术具有优势，有望为室内物联网应用带来全新的能源解决方案。

二、研究结果

（一）建模设置

研究人员的建模方法超越了 Tiedje - Yablonovitch 极限，用于探究材料质量对太阳能电池性能的影响。该模型纳入了缺陷辅助的 SRH 复合，以确定单结、多层 TMD 太阳能电池（膜厚 5nm 或以上）在不同材料质量下的效率极限。模型考虑了通过平均光程长度 4n²L（n 为折射率）增强的光吸收，以及光生激子立即解离为自由电荷载流子的过程。与简化模型不同，该详细平衡模型使用测量的光吸收数据，并考虑了非辐射损失机制，能够更准确地预测不同材料质量下可实现的效率极限，且所得效率极限不受器件设计和配置的影响。

研究人员研究了 TMD 太阳能电池在四种室内光谱（CFL、白炽卤素灯、LED 和低光 AM 1.5G）下的效率极限。这些光谱通过黑体辐射公式进行扩展（如卤素光谱），并根据照明工程学会（IES）照明手册中定义的勒克斯水平进行归一化，以匹配典型室内照明场景，场景涵盖了从停车场（50 勒克斯）、仓库（150 勒克斯）到办公室（400 勒克斯）和零售店（500 勒克斯）等不同光照强度环境。勒克斯照度通过将光谱功率分布与国际照明委员会（CIE）明视觉光度函数进行校准计算得出，尽管勒克斯值基于人眼可见范围，但输入功率计算考虑了光波长的全光谱，以确定功率转换效率（输出功率与输入功率之比），四种室内光谱在不同勒克斯水平下的输入功率密度列于相关表格中。

（二）室内 PV 测量标准建议

为确保准确评估室内 PV 设备的性能，未来的标准应考虑将光谱功率分布归一化到特定的勒克斯条件，并纳入在不同光谱和强度下测量设备性能的协议。这些标准可包括一组参考光源，如在特定勒克斯水平下的 CFL、LED、卤素灯和 AM 1.5G 光源，以保证一致性和可重复性。本研究中使用的勒克斯水平（50 勒克斯、150 勒克斯、400 勒克斯和 500 勒克斯）来自 IES 照明手册，反映了现实的室内照明场景，为研究人员和开发者提供了实用的性能比较基准。

（三）CFL 照明下的性能

以 WS₂为例，在 CFL 照明下，研究人员计算了短路电流密度（J_SC）、开路电压（V_OC）、填充因子（FF）和输出功率（P_out）随 WS₂膜厚和 CFL 照明强度的变化。研究中选择的 SRH 寿命（τ_SRH）为 611ns，基于未钝化多层 WS₂的最大报道值。随着材料质量的提高（或 TMD 表面钝化），WS₂和其他 TMDs 的寿命有望增加。无限的 τ_SRH代表理想化情况（Tiedje - Yablonovitch 极限），此时在无缺陷辅助 SRH 复合的情况下，V_OC（和效率）达到最大值。由于 τ_SRH与缺陷密度成反比，高质量、低缺陷的材料具有更长的寿命，可减少非辐射复合，提高器件性能。

在低光强度（如停车场或仓库）下，J_SC随膜厚增加变化很小；在较高强度（如办公室和零售店）下，较厚的 WS₂膜对低能量光子的吸收增强，导致 J_SC适度上升。V_OC随光强度增加而增加，但随膜厚增加而减小，这是因为较厚膜的较长光程增强了 “光捕获”，吸收了更多低能量光子，使有效吸收阈值向低能量移动，从而降低了 V_OC。FF 受 V_OC和材料质量的影响，对于有限的 τ_SRH（611ns），V_OC和 FF 较低，且 FF 对光强度的依赖性更强，因为在低光条件下缺陷处的复合影响更大。在较厚的膜中，虽然低光强度下复合减少，但可用载流子减少使复合损失对 FF 的影响更严重。FF 对 V_OC的依赖性也解释了其随膜厚增加而降低的现象。P_out随膜厚变化呈现弱倒 U 形，在中间厚度处达到峰值，此时较高光强度下 J_SC的增加补偿了 V_OC和 FF 的损失。

MoS₂、MoSe₂、WS₂和 WSe₂太阳能电池在 CFL 照明下的功率转换效率（PCE）随 TMD 膜厚、τ_SRH和 CFL 照明强度的变化趋势与 P_out相似。随着 TMD 膜厚增加，J_SC因光吸收改善而提高，但 V_OC和 FF 降低，在有限的 τ_SRH（611ns）下这种变化更明显，导致 PCE 随膜厚变化呈现类似趋势。CFL 光源的光谱分布较窄，在较高光子能量（约 2 - 3.5eV）处达到峰值，在较大厚度下，该能量范围内光子的吸收趋于饱和，J_SC开始趋于平稳，而复合损失导致 V_OC和 FF 下降，最终超过 J_SC的适度改善，使得较薄的 TMD 层具有更高的 PCE。在低光强度下，尽管 P_out可能没有明显峰值，但由于输入功率 P_in相对较小，PCE 的峰值更明显。在无 SRH 复合（无限 τ_SRH）的情况下，PCE 随厚度的下降不那么严重，凸显了材料质量对 TMD 太阳能电池性能的关键作用。而在存在 SRH 复合时，由于 V_OC和 FF 随厚度下降更陡峭，PCE 峰值向较小厚度移动，且随厚度下降更显著。

在当前材料质量（τ_SRH≈611ns）下，TMD 太阳能电池在 CFL 照明下的 PCE 可达 23.5%。通过精心优化太阳能电池的光学和电气设计，可达到当前材料质量下的效率极限。优化光学设计可采用先进的光管理技术，如集成背反射器或散射层，以最大化纳米级薄膜中的光子吸收；优化电气性能可通过引入掺杂和载流子选择性接触，以最大化载流子提取。随着材料质量向无限 τ_SRH改进，PCE 有望高达 36.5%，表明更好的材料质量与更高的性能直接相关。

（四）LED 照明下的性能

研究人员考察了所有四种 TMD 太阳能电池在 LED 照明下的 PCE 随 TMD 膜厚、LED 照明强度和 τ_SRH的变化。较厚的膜最初会增强 J_SC，从而提高 PCE，但 V_OC和 FF 会下降，特别是在 τ_SRH有限的情况下。P_out和 PCE 的趋势与 CFL 照明下相似，存在一个最佳厚度，在该厚度下 J_SC的优势最大化，之后被 V_OC和 FF 的损失所抵消。在无限 τ_SRH的情况下，由于材料质量较高，PCE 随厚度增加的下降不那么明显；在有限 τ_SRH的情况下，PCE 峰值更尖锐，且随厚度增加下降更显著，这表明提高材料质量可显著提高 TMD 基太阳能电池在 LED 照明下的 PCE。

LED 光谱的分布也较窄，峰值分别在约 2.25eV 和 2.73eV 附近，与 CFL 光谱类似。与卤素灯或低光 AM 1.5G 的较宽光谱不同，LED 光谱提供的低能量光子（低于约 2eV）较少，使得增加膜厚带来的 J_SC增强更快减弱，而较大厚度下的复合损失导致 V_OC和 FF 下降，从而使 PCE 在超薄厚度处达到峰值。LED 照明下的 PCE 与 CFL 照明下的 PCE 相当，因为两者的输入功率密度相似，且都主要由 TMD 薄膜能有效吸收的较高能量（高于带隙）光子主导。

在当前材料质量（τ_SRH≈611ns）下，TMD 太阳能电池在 LED 照明下的 PCE 可达 23.5%。随着材料质量向无限 τ_SRH提升，PCE 有望高达 35.6%。通过优化 TMD 太阳能电池的光学和电气设计，并利用材料质量的改进，这些 PCE 的提升是可以实现的。

（五）卤素灯照明下的性能

研究人员考察了四种 TMD 太阳能电池在卤素灯照明下的 PCE 随 TMD 膜厚、τ_SRH和卤素照明强度的变化。对于无限的 τ_SRH，所有材料的 PCE 均持续增加，表明较厚膜中 J_SC的改善超过了 V_OC和 FF 的损失。然而，由于卤素光谱中存在更多低于 TMD 带隙的低能量光子，其照明下的 PCE 总体低于 CFL 或 LED 照明下的 PCE。在有限的 τ_SRH（611ns）下，MoS₂和 WSe₂的 PCE 出现明显峰值，表明存在最佳厚度范围以实现最大 PCE；MoSe₂的 PCE 几乎与膜厚无关，说明其 J_SC的增加与 V_OC和 FF 的损失之间的平衡不那么明显；WS₂的 PCE 随膜厚单调增加，在较高照明强度下更显著，这展示了材料的吸收光谱和照明强度对 PCE 的影响。

卤素光谱比 CFL 和 LED 照明的光谱更宽，延伸到较低光子能量（低于约 1.5eV），这些低能量光子可被较厚的 TMD 膜吸收，使得 J_SC随着厚度增加持续改善。在有限的 τ_SRH下，随着厚度增加，V_OC和 FF 的复合损失变得更明显，最终导致 PCE 峰值出现在比 CFL 和 LED 照明大得多的厚度（数百纳米）处。

在当前材料质量（τ_SRH≈611ns）下，TMD 太阳能电池在卤素灯照明下的 PCE 可达 5.9%。随着材料质量向无限 τ_SRH提升，在最厚的 MoS₂和 WSe₂薄膜中，卤素灯照明下的 PCE 有望达到 11.2%。

（六）低光 AM 1.5G 照明下的性能

研究人员考察了 MoS₂、MoSe₂、WS₂和 WSe₂太阳能电池在低光 AM 1.5G 照明下的 PCE 随 TMD 膜厚、τ_SRH和 AM 1.5G 照明强度的变化。与卤素灯照明下的情况类似，对于无限的 τ_SRH，所有材料的 PCE 均随膜厚持续增加，表明厚度增加带来的 J_SC增加的积极影响超过了对 V_OC和 FF 的负面影响，P_out也呈现类似趋势。低光 AM 1.5G 照明下的 PCE 值高于卤素灯照明，但低于 CFL/LED 照明，这与这些光源中低能量光子的可用性趋势一致。

在有限的 τ_SRH（611ns）下，所有材料的 P_out和 PCE 曲线均出现明显峰值，类似于 CFL 和 LED 照明下的趋势。这表明 J_SC、V_OC和 FF 之间的相互作用决定了光吸收和转换为电能的效率。增加膜厚可因光吸收改善而增强 J_SC，但较厚膜中 V_OC和 FF 的下降更为显著，从而抵消了这一优势。

低光 AM 1.5G 照明的光谱分布比 CFL/LED 宽，比卤素灯窄，包含的低能量光子比 CFL/LED 多，但比卤素灯少。这些额外的低能量光子使 J_SC随着厚度增加仍能继续改善，但速度比卤素灯慢。在较大厚度下，V_OC和 FF 的复合损失仍占主导，因此 PCE 峰值出现在中间厚度，平衡了 J_SC的增量和 V_OC、FF 的适度损失，这与其他光源不同。

在当前材料质量（τ_SRH≈611ns）下，TMD 太阳能电池在 500 勒克斯（典型零售店照明）的低光 AM 1.5G 照明下，PCE 可达 16.3%。随着材料质量向无限 τ_SRH提升，PCE 有望高达 27.6%。通过优化这些超薄 TMD 太阳能电池的光学和电气设计，可达到这些效率极限。

三、讨论

（一）基准测试和预测

研究人员将 TMD 太阳能电池在 CFL 和 LED 照明下（约 500 勒克斯）的 PCE 与现有和新兴的室内 PV 技术进行了对比。考虑 CFL 和 LED 光谱在 500 勒克斯下的 Shockley - Queisser 效率极限作为参考。在 CFL 照明下，当 τ_SRH为 611ns 时，WS₂的 TMD 太阳能电池 PCE 可达 23.5%，在无 SRH 复合时可达 36.5%；在 LED 照明下，相应的 PCE 略低，分别为 23.5% 和 35.6%。在无限 τ_{SRH<在无限>SRH情况下，TMD 太阳能电池的 PCE 高于 Shockley - Queisser 模型预测值，这是因为研究中纳入的测量光吸收光谱显示，较薄 TMD 薄膜的吸收阈值向更高光子能量移动，有效增大了带隙，从而使 VOC高于模型预测值，FF 也更高，最终导致整体 PCE 更高。}

研究估计，通过优化光学和电子设计，TMD 太阳能电池的 PCE 与现有室内 PV 技术（如 DSSCs 和有机 PV）在相似条件下相当。即使在对应现有 TMD 材料质量的 τ_SRH为 611ns 时，TMD 太阳能电池也能与 a - Si、III - V、II - VI 和晶体硅技术竞争。值得注意的是，无限 τ_SRH的 TMD 太阳能电池 PCE 接近或超过已报道的最高 PCE，充分展示了 TMDs 在室内应用的巨大潜力。虽然室内 PV 的理想带隙约为 1.9eV，接近钙钛矿的带隙，但 TMDs 凭借超高吸收系数和良好的电子特性，即使带隙略低，在室内照明下仍能实现高 PCE。目前，钙钛矿在室内 PV 中保持最高 PCE 记录，但存在稳定性问题，在黑暗和光照下均不稳定，且其使用的材料存在环境和健康隐患。相比之下，TMD 太阳能电池稳定性好，不含铅等有毒元素，是室内应用更安全、更可持续的选择。此外，纳米电子行业中 TMD 生长和器件制造技术的进步，使得 TMD 太阳能电池能够低成本大规模生产，进一步确立了其作为室内 PV 优秀候选材料的地位。

研究还对比了各种物联网通信协议的平均功率需求和 10cm²TMD 太阳能电池在不同室内光谱（500 勒克斯）下的功率输出范围。结果表明，TMD 太阳能电池的功率输出足以支持多种物联网应用中至关重要的低功耗网络协议，如 RFID（射频识别）、LoRA（长距离）反向散射、被动 Wi - Fi、BLE（蓝牙低功耗）、ANT（自适应网络拓扑）和 Zigbee。这些协议对于确保室内物联网网络中高效、可靠的数据传输至关重要。TMD 太阳能电池满足并可能超过当前物联网协议的功率需求，有望成为推进可持续物联网基础设施的关键组件。

四、结论

研究人员对 TMD 太阳能电池用于室内能量收集的潜力进行了深入研究，评估了不同厚度的 MoS₂、MoSe₂、WS₂和 WSe₂在多种室内照明条件（CFL、LED、卤素灯和低光 AM 1.5G 照明）下的性能。所使用的详细平衡模型纳入了材料特定的光吸收数据，并考虑了辐射复合、俄歇复合和 SRH 复合等多种复合机制。研究发现，TMD 太阳能电池性能优于现有室内 PV 技术，在 500 勒克斯光照下，荧光灯、LED、卤素灯和低光 AM 1.5G 照明下的 PCE 极限分别高达 36.5%、35.6%、11.2% 和 27.6%。在当前材料质量下，相应的 PCE 分别可达 23.5%、23.5%、5.9% 和 16.3%。这些效率数据表明 TMD 太阳能电池可为室内物联网设备供电。未来研究需进一步优化 TMD 太阳能电池的电气和光学设计，充分发挥其高效潜力，以适应更广泛的商业应用。