含有辣椒素的鈣鈦礦太陽能電池。

來自中國和瑞典的科學家發現,決定辣椒辛辣程度的化合物——辣椒素,可能是製造高效鈣鈦礦太陽能電池的祕密武器。

這項於1月13日發表在《焦耳》雜誌上的論文表明,在製造過程中,將辣椒素噴灑到甲基銨鉛三碘化物(MAPbI3)鈣鈦礦前體上,可以讓更多的電子參與到半導體表面電流傳導過程中。由此,我們將得到目前爲止電荷傳輸效率最高的多晶MAPbI3太陽能電池。

“在未來,利用綠色、可持續的森林生物材料添加劑技術製造無毒、無鉛鈣鈦礦材料將成爲一種趨勢。”來自華東師範大學的論文作者保秦燁說,“我們希望最終能夠生產完全綠色的鈣鈦礦太陽能電池,將其發展爲一種新的清潔能源。”

雖然金屬鹵化物鈣鈦礦半導體是太陽能電池生產前沿中一種頗具潛力的候選者,但其使用卻受到了非輻射覆合的限制。非輻射覆合是一種發生在電子水平上的過程,它會降低電池的效率並加劇熱損失。新研究中,研究人員發現,天然、廉價的添加劑——辣椒素可以幫助科學家們克服以上限制,提高太陽能電池的性能。

“考慮到辣椒素的電學、化學、光學和穩定性能,我們初步確定:它是一種很有前景的候選分子。”保秦燁說。

爲測試辣椒素的作用,研究者將0.1wt%的化合物(最佳確定濃度)添加到MAPbI3鈣鈦礦前體中。之後,利用紫外光電子能譜、X射線光電子能譜等技術,他們分析了辣椒素添加劑對太陽能電池性能的影響。結果表明,控制器件的功率轉換效率僅爲19.1%,但含有辣椒素的器件的效率爲21.88%——幾乎與單晶MAPbI3器件的效率(21.93%)相同。不僅如此,增強版的太陽能電池還表現出了更好的穩定性:在環境空氣中暴露800小時後,它仍能保持90%以上的初始效率。

保秦燁和同事們確定,辣椒素大幅降低了鈣鈦礦薄膜的缺陷密度,使電子密度增加了一個數量級,促進了電荷傳輸。此外,他們觀察到含有辣椒素的太陽能電池的泄漏電流較小,表明添加劑成功地抑制了非輻射覆合。

辣椒素通過改變鈣鈦礦材料的表面能量學實現了這些改進。它在p型半導體層(含有較多的缺電子“空穴”)與n型半導體層(含有較多的電子)之間‘創造’了一個界面,該界面可以促進電荷傳輸,抑制效率損失。

雖然辣椒素可能是開發規模更大、效率更高的鈣鈦礦太陽能電池的一種低成本、廣泛可用的添加劑,但研究者指出,該化合物對無機鈣鈦礦和雙鈣鈦礦等無毒、無鉛鈣鈦礦有何影響,還需進一步研究。此外,要將材料投入商業應用,也仍需強化其穩定性。

科界原創

編譯:橘子

審稿:西莫

責編:陳之涵

期刊來源:《焦耳》

期刊編號:1673-3169

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