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中國和瑞典的科學家發現，一小撮辣椒素（一種使辣椒具有辛辣味的化合物）可能是更不亂、更高效率鈣鈦礦太陽能電池的祕密成分。這項研究於2021年1月13日發表在Cell Press細胞出版社旗下期刊Joule（《焦耳》）上，研究確定在製備過程中將辣椒素撒入甲基銨碘化鉛（MAPbI3）先驅體中，會導致大量電子（而不是空的佔位符）在鈣鈦礦半導體表面傳導電流。該添加劑產生了迄今爲止電荷傳輸最有效的多晶MAPbI3太陽能電池。

Cell Press細胞出版社微信公家號對該論文作者之一保秦燁教授進行了採訪並對論文進行了解讀，旨在與泛博科研人員深入分享該研究成果以及一些未來的瞻望。

該研究的通信作者之一，華東師範大學的保秦燁教授說：“將來，使用綠色和可持續的基於森林系生物添加劑技術是無毒無鉛鈣鈦礦半導體的顯著趨勢。作爲清潔能源，我們但願終極製備出完全綠色的鈣鈦礦太陽能電池。”

儘管基於金屬鹵化物鈣鈦礦的太陽能電池被以爲是最具發展潛力的光伏技術，但它們受到非輻射覆合的困擾，這是一種不良的電子級過程，會降低效率並加劇熱損失。

保秦燁團隊與合作者尋求了一種自然的、基於森林材料的廉價添加劑，以克服這一侷限，進步太陽能電池的機能。

保秦燁說：“考慮到辣椒素的電學、化學、光學和穩定性能，我們初步以爲它可能是一個很有前途的添加劑。”

爲了驗證辣椒素的作用，研究職員將0.1wt％的化合物（最佳確定濃度）添加到MAPbI3鈣鈦礦前體中，製備太陽能電池器件。接下來，一系列表徵技術，包括紫外光電子能譜、X射線光電子能譜、時間分辨光致發光譜等，確定辣椒素如何影響太陽能電池的機能。研究發現，參比器件（未添加辣椒素）的功率轉換效率爲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定性，未封裝的器件在空氣環境中存儲800小時後，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，將電子密度進步一個數量級，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，表明該化合物成功按捺了非輻射覆合。

研究發現，器件機能的進步還來自於辣椒素完全改變了鈣鈦礦半導體表面區域的電子結構從原先p型轉變到n型，自發形成了p-n同質結，在電子缺陷-“空穴”主導的p型半導體層和電子主導的n型半導體層之間形成緩衝界面。從能級上看，該界面可促進電荷傳輸並有效按捺傳統鈣鈦礦半導體中觀察到的能量損失。

研究團隊指出，固然辣椒素可爲大面積、高效率的鈣鈦礦太陽能電池發展提供一種低成本、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，在將其預備用於貿易應用之前，還需進一步提高電池的穩定性。

保秦燁說：“我們將進一步關注自然森林基生物材料添加劑的化學結構，與光敏材料之間的相互作用、以及與光伏機能之間的關係。我們但願產生有價值的新知識，以進一步提高新型鈣鈦礦型太陽能電池的功率轉換效率和穩定性。”

這項工作得到了國家自然科學基金、中央大學基礎研究基金、上海市青年科技啓明星、華東師範大學公共立異服務平臺、國家重點研發計劃等項目支持。

作者專訪

Cell Press細胞出版社特別邀請論文作者之一保秦燁教授進行了專訪，請他爲大家進一步具體解讀。

CellPress：

您和團隊是如何想到通過使用辣椒素來晉升鈣鈦礦太陽能電池機能的？

保秦燁教授：

一方面，我們課題組在利用光電子能譜研究軟物質半導體（有機半導體，鈣鈦礦半導體）器件界面電子結構特性方面積累了一些經驗。但願通過添加劑改變鈣鈦礦半導體表面電子結構，與電荷傳輸層實現匹配的界面電子結構，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、可持續的基於森林系生物添加劑技術，並與無毒無鉛鈣鈦礦半導體結合，終極實現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、化學、光學和穩定性等性質，我們初步以爲它可能是一個很有效的添加劑，並取得了不錯的效果。

CellPress：

研究過程中是否碰到瓶頸？又是如何突破的呢？

保秦燁教授：

鈣鈦礦半導體表面區域電子結構經歷了從原先的p型到n型的完全轉變，這是研究中發現的一個新現象。我們起初利用光電子能譜原位表徵系統觀測到這一轉變，但是紫外光電子能譜UPS是一種表面極其敏感的表徵技術，它的探測深度只有1 納米，所以我們並不知道薄膜內部電子結構是否也發生了相應的變化。假如用離子槍刻蝕，顯然會破壞薄膜的電子結構，如何正確確定鈣鈦礦薄膜內部以及底部的電子結構信息成爲難點。針對這個題目，我們與合作者設計了一組霍爾效應測試的新結構，可以探測薄膜底部和頂部的導電類型，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，進一步發現薄膜電子結構轉變發生在表面以下大約100 nm處。研究過程中難免會碰到瓶頸，而科學研究往往又在於突破這些瓶頸。

CellPress：

在大規模投入貿易應用之前，您以爲還有哪些需要解決的主要題目。

保秦燁教授：

目前鈣鈦礦太陽能電池的效率已經突破了25%，在大規模投入貿易應用之前，還有使用壽命、鈣鈦礦材料本身綠色環保､大面積製備等方面的題目需要解決。這些題目需要學術界與工業界的共同努力。

CellPress：

請保秦燁爲青年學者應如何選題立意，以及開展後續的研究工作（特別是在國際間合作研究方面），給出您寶貴的指導意見。

保秦燁教授：

我也是青年學者。對於如何選題立意，首先從科學題目入手，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，我們課題組聚焦基於光電子能譜的物質半導體界面電子結構與光電調控研究。合作對於深入研究，進步工作質量至關重要，我們的工作得到了瑞典林雪平大學､國家納米科學中央､上海交通大學、以及華東師範大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室等課題組的匡助，非常感謝！

相關論文信息

論文原文刊載於CellPress細胞出版社旗下期刊Joule上

▌論文標題：

Direct Observation on p- to n-Type Transformation of Perovskite Surface Region during Defect Passivation Driving High Photovoltaic Efficiency

▌論文網址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30608-5

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.12.009