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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

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  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。

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