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中國和瑞典的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一小撮辣椒素（一種使辣椒具有辛辣味的化合物）可能是更穩(wěn)定、更高效率鈣鈦礦太陽能電池的秘密成分。這項研究于2021年1月13日發(fā)表在Cell Press細胞出版社旗下期刊Joule（《焦耳》）上，研究確定在制備過程中將辣椒素撒入甲基銨碘化鉛（MAPbI3）前驅(qū)體中，會導(dǎo)致大量電子（而不是空的占位符）在鈣鈦礦半導(dǎo)體表面?zhèn)鲗?dǎo)電流。該添加劑產(chǎn)生了迄今為止電荷傳輸最有效的多晶MAPbI3太陽能電池。

Cell Press細胞出版社微信公眾號對該論文作者之一保秦?zé)罱淌谶M行了采訪并對論文進行了解讀，旨在與廣大科研人員深入分享該研究成果以及一些未來的展望。




該研究的通訊作者之一，華東師范大學(xué)的保秦?zé)罱淌谡f：“將來，使用綠色和可持續(xù)的基于森林系生物添加劑技術(shù)是無毒無鉛鈣鈦礦半導(dǎo)體的明顯趨勢。作為清潔能源，我們希望最終制備出完全綠色的鈣鈦礦太陽能電池。”

盡管基于金屬鹵化物鈣鈦礦的太陽能電池被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ?a href="http://m.xivipbz.cn/news/search.php?kw=%B9%E2%B7%FC" target="_blank">光伏技術(shù)，但它們受到非輻射復(fù)合的困擾，這是一種不良的電子級過程，會降低效率并加劇熱損失。

保秦?zé)顖F隊與合作者尋求了一種天然的、基于森林材料的廉價添加劑，以克服這一局限，提高太陽能電池的性能。

保秦?zé)钫f：“考慮到辣椒素的電學(xué)、化學(xué)、光學(xué)和穩(wěn)定性能，我們初步認為它可能是一個很有前途的添加劑。”

為了驗證辣椒素的作用，研究人員將0.1wt％的化合物（最佳確定濃度）添加到MAPbI3鈣鈦礦前體中，制備太陽能電池器件。接下來，一系列表征技術(shù)，包括紫外光電子能譜、X射線光電子能譜、時間分辨光致發(fā)光譜等，確定辣椒素如何影響太陽能電池的性能。研究發(fā)現(xiàn)，參比器件（未添加辣椒素）的功率轉(zhuǎn)換效率為19.1％，但是含有辣椒素的器件效率達21.88％，幾乎追平單晶MAPbI3光伏器件21.93％效率紀錄。此外，含有辣椒素的器件還顯示出更高的穩(wěn)定性，未封裝的器件在空氣環(huán)境中存儲800小時后，仍可保持其初始效率的90％以上。

辣椒素可大大降低鈣鈦礦薄膜的缺陷密度，將電子密度提高一個數(shù)量級，促進電荷傳輸。此外，他們還在含有辣椒化合物的太陽能電池中觀察到更小的泄漏電流，表明該化合物成功抑制了非輻射復(fù)合。

研究發(fā)現(xiàn)，器件性能的提高還來自于辣椒素完全改變了鈣鈦礦半導(dǎo)體表面區(qū)域的電子結(jié)構(gòu)從原先p型轉(zhuǎn)變到n型，自發(fā)形成了p-n同質(zhì)結(jié)，在電子缺陷-“空穴”主導(dǎo)的p型半導(dǎo)體層和電子主導(dǎo)的n型半導(dǎo)體層之間形成緩沖界面。從能級上看，該界面可促進電荷傳輸并有效抑制傳統(tǒng)鈣鈦礦半導(dǎo)體中觀察到的能量損失。

研究團隊指出，雖然辣椒素可為大面積、高效率的鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展提供一種低成本、可廣泛獲取的添加劑，但需要進一步研究確定該化合物對無毒、無鉛鈣鈦礦的作用，例如無機鈣鈦礦和雙鈣鈦礦。此外，在將其準備用于商業(yè)應(yīng)用之前，還需進一步提高電池的穩(wěn)定性。

保秦?zé)钫f：“我們將進一步關(guān)注天然森林基生物材料添加劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)，與光敏材料之間的相互作用、以及與光伏性能之間的關(guān)系。我們希望產(chǎn)生有價值的新知識，以進一步提高新型鈣鈦礦型太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。”

這項工作得到了國家自然科學(xué)基金、中央大學(xué)基礎(chǔ)研究基金、上海市青年科技啟明星、華東師范大學(xué)公共創(chuàng)新服務(wù)平臺、國家重點研發(fā)計劃等項目支持。

作者專訪

Cell Press細胞出版社特別邀請論文作者之一保秦?zé)罱淌谶M行了專訪，請他為大家進一步詳細解讀。

CellPress：

您和團隊是如何想到通過使用辣椒素來提升鈣鈦礦太陽能電池性能的？

保秦?zé)罱淌冢?br />
一方面，我們課題組在利用光電子能譜研究軟物質(zhì)半導(dǎo)體（有機半導(dǎo)體，鈣鈦礦半導(dǎo)體）器件界面電子結(jié)構(gòu)特性方面積累了一些經(jīng)驗。希望通過添加劑改變鈣鈦礦半導(dǎo)體表面電子結(jié)構(gòu)，與電荷傳輸層實現(xiàn)匹配的界面電子結(jié)構(gòu)，從而減少器件能量損失。另一方面，我們一直在尋找使用綠色、可持續(xù)的基于森林系生物添加劑技術(shù)，并與無毒無鉛鈣鈦礦半導(dǎo)體結(jié)合，最終實現(xiàn)完全綠色的鈣鈦礦電子器件。通過綜合考慮辣椒素化合物的電學(xué)、化學(xué)、光學(xué)和穩(wěn)定性等性質(zhì)，我們初步認為它可能是一個很有效的添加劑，并取得了不錯的效果。

CellPress：

研究過程中是否遇到瓶頸？又是如何突破的呢？

保秦?zé)罱淌冢?br />
鈣鈦礦半導(dǎo)體表面區(qū)域電子結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從原先的p型到n型的完全轉(zhuǎn)變，這是研究中發(fā)現(xiàn)的一個新現(xiàn)象。我們起初利用光電子能譜原位表征系統(tǒng)觀測到這一轉(zhuǎn)變，但是紫外光電子能譜UPS是一種表面極其敏感的表征技術(shù)，它的探測深度只有1 納米，所以我們并不知道薄膜內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)是否也發(fā)生了相應(yīng)的變化。如果用離子槍刻蝕，顯然會破壞薄膜的電子結(jié)構(gòu)，如何準確確定鈣鈦礦薄膜內(nèi)部以及底部的電子結(jié)構(gòu)信息成為難點。針對這個問題，我們與合作者設(shè)計了一組霍爾效應(yīng)測試的新結(jié)構(gòu)，可以探測薄膜底部和頂部的導(dǎo)電類型，進而確定鈣鈦礦能級。同時，利用截面KPFM探測整層鈣鈦礦薄膜的電勢變化，進一步發(fā)現(xiàn)薄膜電子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變發(fā)生在表面以下大約100 nm處。研究過程中難免會遇到瓶頸，而科學(xué)研究往往又在于突破這些瓶頸。

CellPress：

在大規(guī)模投入商業(yè)應(yīng)用之前，您認為還有哪些需要解決的主要問題。

保秦?zé)罱淌冢?br />
目前鈣鈦礦太陽能電池的效率已經(jīng)突破了25%，在大規(guī)模投入商業(yè)應(yīng)用之前，還有使用壽命、鈣鈦礦材料本身綠色環(huán)保?大面積制備等方面的問題需要解決。這些問題需要學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的共同努力。

CellPress：

請保秦?zé)顬榍嗄陮W(xué)者應(yīng)如何選題立意，以及開展后續(xù)的研究工作（特別是在國際間合作研究方面），給出您寶貴的指導(dǎo)意見。

保秦?zé)罱淌冢?br />
我也是青年學(xué)者。對于如何選題立意，首先從科學(xué)問題入手，選擇研究方向。建立課題組時間不長，獨立研究的青年學(xué)者，課題組本身不會很大，所有要集中某一方向，深入研究，做出自己的特色，我們課題組聚焦基于光電子能譜的物質(zhì)半導(dǎo)體界面電子結(jié)構(gòu)與光電調(diào)控研究。合作對于深入研究，提高工作質(zhì)量至關(guān)重要，我們的工作得到了瑞典林雪平大學(xué)?國家納米科學(xué)中心?上海交通大學(xué)、以及華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室等課題組的幫助，非常感謝！ 


原標題：Joule：辣椒素給太陽能電池“提味”