近年来，串联太阳能电池和室内光伏电池的兴起重新引起了对硒（Se）的研究兴趣。Se作为世界上第一种光伏材料，由于其本征宽带隙（≈1.9 eV），高稳定性和在光伏电池应用中微量使用时的无毒性而备受瞩目。然而，在一维链式晶体结构下，由于低表面能，Se倾向于生长出与衬底平行的横向晶体膜，这就导致了载流子在由弱范德华力连接的链上传输不畅。
2024年11月6日，中国科学院化学研究所胡劲松研究员、薛丁江研究员团队在Advanced Materials期刊发表题为“Standing 1D Chains Enable Efficient Wide‐Bandgap Selenium Solar Cells”的研究论文，团队成员Liu Qingxiang为论文第一作者，薛丁江研究员为论文通讯作者。
该研究介绍了一种衬底加热策略，促进Se与基底间的界面键合，使Se薄膜的生长具有垂直于衬底的直立取向链。这使得沿共价键链进行高效载流子输运成为可能。由此，得到的Se薄膜与水平取向的Se薄膜相比，载流子迁移率增加了四倍。因此，在AM1.5G 1太阳光照下，Se太阳能电池的功率转换效率最高达到8.1%。未封装器件在常温环境下储存1000小时后，效率损失可以忽略不计。
DOI：10.1002/adma.202410835
该研究报道了一种衬底加热策略，实现了Se薄膜沿垂直方向的生长。该研究首先揭示了Se链段和TiO2之间的惰性性质，使得TiO2层上Se薄膜的生长方向完全由其表面能控制，从而形成水平取向。因此，利用高活性的Se2，结合热蒸发过程中升高的衬底温度，促进Se和TiO2之间的结合，这种界面键合导致了垂直取向Se薄膜的形成。所得到的Se薄膜与水平取向的Se薄膜相比，载流子迁移率增加了四倍。在AM1.5G 1太阳光照下，由这些Se薄膜制成的Se太阳能电池的效率达到了8.1%。未封装器件在常温环境下储存1000小时后，效率未见下降。
总之，该研究报道了一种衬底加热策略，该策略实现了Se和衬底之间的界面键合，从而导致垂直取向Se薄膜的生长。研究发现，硒链段与基底的惰性导致难以形成有效键合，从而仅通过表面能驱动硒薄膜生长，最终形成水平取向的硒薄膜。因此，在热蒸发过程中，使用高活性的Se2，随着衬底温度的升高，实现了Se和衬底之间的键合。由于这种界面键合，形成了垂直取向的Se薄膜。结果表明，与水平取向的Se薄膜相比，载流子迁移率增加了4倍，这是由于载流子沿共价键链的有效迁移，而非依赖范德华力维系的链间较差传输。采用这种Se薄膜制备的太阳能电池达到了创纪录的8.1%的效率。未封装的器件在环境条件下存储1000小时后，性能没有明显下降。该研究为控制低维晶体结构薄膜的生长取向提供了一种通用策略。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
