华东师大最新突破性发现：“吃辣”后的太阳能电池更高效稳定

辣椒入菜，冲击人类舌尖味蕾，辣椒“入”电池，能让电池更加高效发电。

近日，华东师范大学物理与电子科学学院保秦烨教授课题组，把天然分子辣椒素作为添加剂引入钙钛矿半导体，结合光电子能谱与光电器件，在国际上首次直接观察到，软物质钙钛矿半导体表面电子结构从P型转变成N型的新现象。

“辣椒”也能发电？“吃辣”后的电池性能发生了什么变化？

保秦烨教授告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者，所谓“辣椒”能发电，是指辣椒素能够提高钙钛矿太阳能电池发电效率。

华东师大保秦烨教授（中）、博士研究生熊少兵（右）和本科生侯彰钰 本文图片均来自微信公众号@华东师范大学

含有辣椒素的器件效率达到目前最高值

保秦烨介绍，有机金属卤化物钙钛矿半导体具有高光吸收系数、长载流子寿命和扩散距离、高电荷迁移率和可调带隙等优异的光电性能，在发光二极管、光伏、探测器等光电器件上具有广阔的应用前景。此外，钙钛矿半导体还具有制备工艺简单、成本低、可用于柔性器件等显著优势。

但钙钛矿光伏器件内部存在大量的非辐射复合能量损失，制约了其光电转换效率的提升。大量的工作已证实，在减小器件能量损失方面，界面电子结构匹配至关重要。

研究人员一直在寻找使用绿色的添加剂技术，以克服这一短板。

华东师大保秦烨教授和学生

据保秦烨介绍，课题组在利用光电子能谱研究软物质半导体（有机半导体，钙钛矿半导体）器件界面电子结构特性方面积累了一些经验，希望通过添加剂改变钙钛矿半导体表面电子结构，与电荷传输层实现匹配的界面电子结构，从而减少器件能量损失。

课题组发现，辣椒素能够实现钙钛矿半导体表面电子结构从原先的P型到N型的转变，同时钝化半导体表面的缺陷。这两种效果（匹配的电子结构与缺陷的减少）有效促进电荷传输，减少非辐射复合能量损失，从而提高电池的能量转换效率。

从器件效率上看，标准器件（未添加辣椒素）的功率转换效率仅为19.1％，但是含有辣椒素的器件效率大幅提高到21.88％，这个效率是已报道的多晶甲铵基碘化铅钙钛矿（MAPbI3）的P-I-N结构器件的最高值。

此外，相比标准器件，含辣椒素的钙钛矿电池还显示出更高的工作稳定性。保秦烨提到，辣椒素是一种很有前景的添加剂，其成本低廉，绿色无毒，性质相对稳定，并可广泛获取，适合于未来大规模生产高效钙钛矿太阳能电池。

一名本科生为论文共同第一作者

添加剂的寻找经历了怎样的过程，为何选择了辣椒素？

实验室制备的光伏器件

保秦烨表示，课题组一直在寻找使用绿色、可持续的基于森林系生物添加剂技术，并与无毒无铅钙钛矿半导体结合，最终实现完全绿色的钙钛矿电子器件。“通过综合考虑辣椒素化合物的电学、化学、光学和稳定性等性质，我们初步认为它可能是一个很有效的添加剂。”保秦烨提到，课题组也尝试过纤维素、桦木素等天然的添加剂，也取得了一定的效果。

把天然分子辣椒素作为添加剂引入到钙钛矿半导体，在国际上首次直接观察到软物质钙钛矿半导体表面电子结构从P型转变成N型的新现象。在此基础上，课题组还实现了功率转换效率为21.88％和填充因子为83.81％的钙钛矿光伏器件，这两个值都是迄今为止报道的基于多晶MAPbI3薄膜器件的最高记录值。

a. 溶液旋涂软物质半导体薄膜；b.光电子能谱工作示意图；c-e. 钙钛矿半导体表面电子结构从p到n型的完全转变; f. p-n同质结的形成；g.器件效率

1月14日，相关研究成果以Direct observation on p- to n-type transformation of perovskite surface region during defect passivation driving high photovoltaic efficiency为题发表在Cell出版社期刊Joule上。

华东师范大学为论文的第一单位，博士研究生熊少兵为论文的第一作者。华东师大官微还提到，本科生侯彰钰为论文共同第一作者。

保秦烨表示，对于本科生来说，参与到这项研究中，并能发表论文确实具有挑战。侯彰钰参与了整个实验过程，特别是器件制备与表征，并且辅助第一作者研究生熊少兵进行机理研究。在此过程中，本科生得到了很好的锻炼，并接触到研究领域最前沿的知识。