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给钙钛矿电池加了点辣,它变得更高效了

时间: 2021年01月18日 | 作者: 魏潇 | 来源: 科研圈
为了让钙钛矿太阳能电池更高效,这群科学家将辣椒素加进了钙钛矿里。



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辣椒素钙钛矿太阳能电池。图片来源:Jin Yang


撰文  魏潇


中国和瑞典的科学家发现,辣椒素(capsaicin)可能是让钙钛矿太阳能电池更加稳定高效的“秘方”。这项 1 月 13 日发表在《焦耳》(Joule)上的新研究显示,在制备过程中给钙钛矿型甲基铵三碘化铅(MAPbI3)的前体中加点辣椒素会导致大量电子富集,在这种半导体材料表面产生更大电流,产生了迄今为止电荷传输效率最高的多晶 MAPbI3 太阳能电池。 


给钙钛矿加点辣


作为引领当下清洁能源热潮的新技术,钙钛矿太阳能电池已经高速发展了近十年。2011 年,第一个光能转换效率超过 10% 的钙钛矿太阳能电池在牛津大学的克拉伦登实验室诞生。如今,最先进的钙钛矿半导体材料早已能使上述光能转换效率翻倍。低廉的制造成本、高质量的晶体结构和轻巧柔软的材料特性,让钙钛矿倍受学界和产业界青睐。但是,钙钛矿太阳能电池作为一种清洁能源技术,在进入全球光伏市场的道路上依然存在诸多障碍,如何降低不良材质导致的能耗,提升稳定性,保证设备绿色安全无污染,都是亟待解决的技术性问题。


钙钛矿太阳能电池的核心部件是由钙钛矿半导体形成的薄膜。当阳光照射时,钙钛矿材料中的一些电子就会吸收能量而脱离原子束缚。充满能量的受激电子穿过材料中的晶格向一边移动,要么从电池的一端逸出,然后作为有用的电流被电极迅速转移走,要么遇上一个障碍或陷阱,从而失去能量,释放出无用的热量。因此,材料晶体缺陷越多,电子流动受阻越大,电池的光能转化效率就越低。金属卤化物钙钛矿半导体是目前太阳能电池前沿技术中非常具有前景的核心部件,但这类材料存在一种电子层次上的不良现象,被称作无辐射复合,这会降低电池的效率并加剧热损失。


在这篇 1 月 13 日发表的论文中,华东师范大学物理与电子科学学院教授保秦烨和同事们找到了改变钙钛矿半导体表面区域的电子结构、减少器件能量损失的方法——给钙钛矿“加点辣”。研究人员向“科研圈”表示,他们一直在寻找简单有效的添加剂,希望利用绿色可持续的生物添加技术,与无毒无铅的钙钛矿半导体结合,发展出性能更高、完全绿色的钙钛矿太阳能电池。这时,辣椒素出现了。


辣椒素源自辣椒的活性成分,也是为美食带来辛辣刺激风味的源头。但是在材料物理学家眼中,它还是一种天然森林基生物材料,适合于未来大规模生产高效钙钛矿太阳能电池。这类材料具备钝化钙钛矿中的缺陷并调控界面能级的能力,进而提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。


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图片来源:Pixabay


研究人员综合考虑了辣椒素的电学、化学、光学和稳定性,认为它很可能是一种能够降低钙钛矿薄膜的晶体缺陷密度、避免无辐射复合导致的效率损失的添加剂。


为了测试辣椒素的实际效果,研究团队将测试找到的最佳浓度——0.1%(质量比)的辣椒素添加到了 MAPbI3 钙钛矿前体中,然后用这个“加了辣”的材料制造太阳能电池。接下来,研究人员应用了紫外光电子光谱、X 射线光电子光谱和时间分辨光致发光等一系列技术,检测添加的辣椒素会对太阳能电池的性能产生何种影响。


他们发现,对照组电池设备的光能转换效率为 19.1%,而加了辣椒素的电池设备为 21.88%,几乎与单晶 MAPbI3 器件 21.93% 的记录一样高。此外,这种辣椒素太阳能电池还显示出更高的稳定性,在环境中放置 800 小时后,仍可以将效率维持在其初始数值的 90% 以上。


研究者还发现,辣椒素可大大降低钙钛矿薄膜的缺陷密度,将电子密度提高一个数量级,并能促进电荷传输。此外,他们在加了辣椒素的太阳能电池中观察到较小的泄漏电流,这表明该化合物成功抑制了无辐射复合。


研究人员解释道,辣椒素之所以有效,是因为它通过改变钙钛矿材料的表层能量,在 p 型半导体层和 n 型半导体层之间形成了界面。由于 p 型半导体层包含的“空穴”多于电子,而 n 型半导体层包含的电子多于“空穴”,辣椒素形成的界面能够促进电荷传输并抑制传统钙钛矿半导体中出现的效率损失。


绿色无毒、可持续获取的辣椒素,非常适合作为添加剂与无毒无铅钙钛矿半导体结合,提高钙钛矿太阳能电池的安全性和稳定性,这也是未来钙钛矿太阳能电池达成广泛应用的重要一环。但与此同时,研究人员也指出,辣椒素对无毒、无铅钙钛矿(如无机钙钛矿和双钙钛矿)的作用仍需要更深入的研究。在投入商业应用之前,这种新材料的稳定性也必须得到进一步提高。


不止辣椒,还有咖啡


其实,把生物材料用作钙钛矿太阳能电池的“助推剂”已经不是首次出现了。2019 年 4 月,美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院的杨阳教授和他的同事发现,咖啡因能显著提升钙钛矿太阳能电池的热稳定性、将太阳能电池的效率从 17% 提高到了 20%。


这项研究的灵感来自杨阳组里两名博士生的日常——一边喝咖啡一边讨论钙钛矿研究:既然人需要咖啡来提神,那钙钛矿是不是也是如此?答案是肯定的。


咖啡因是一种常见的生物碱,它的羰基基团可以和钙钛矿的铅离子形成一个分子锁,这可以提高钙钛矿的稳定性。同时,这样的分子锁可以降低钙钛矿晶体的成核速度,得到更高质量的钙钛矿多晶薄膜,且可以使钙钛矿的晶粒更具有取向性,从而提高电子在材料晶格中的传输效率,进而提升钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。


在接下来的实验中,杨阳的研究组将咖啡因添加到 40 个太阳能电池的钙钛矿层中,在红外吸收光谱的确认下,他们发现咖啡因能成功与钙钛矿结合。在进一步的透射电子显微镜测试中,这种“喝了咖啡”的钙钛矿材料被电子束加热时,分子锁还是保持稳定,并能将太阳能电池的输出功率提高了大约五分之一。


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来自美国加州大学洛杉矶分校的“咖啡因”钙钛矿太阳能电池。图片来源:Jingjing Xue | Scientific American


如果说给钙钛矿“喝咖啡”来自一次从天而降的尤里卡时刻,那么给钙钛矿“加辣”则更接近一场有准备的计划。


这篇新论文的研究者表示,他们将进一步关注辣椒素、木质素等天然森林基生物材料的化学结构,以及它们与光敏材料的相互作用以及相应的光伏性能。未来,绿色和可持续性的生物材料添加技术,将成为无毒无铅钙钛矿材料的明显趋势。获得一种完全绿色环保的、能作为清洁能源的钙钛矿太阳能电池,是他们最终的希望。