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辣椒素鈣鈦礦太陽能電池。圖片來源：Jin Yang

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撰文? 魏瀟

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中國和瑞典的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，辣椒素（capsaicin）可能是讓鈣鈦礦太陽能電池更加穩(wěn)定高效的“秘方”。這項 1 月 13 日發(fā)表在《焦耳》（Joule）上的新研究顯示，在制備過程中給鈣鈦礦型甲基銨三碘化鉛（MAPbI3）的前體中加點辣椒素會導(dǎo)致大量電子富集，在這種半導(dǎo)體材料表面產(chǎn)生更大電流，產(chǎn)生了迄今為止電荷傳輸效率最高的多晶 MAPbI3 太陽能電池。?

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給鈣鈦礦加點辣

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作為引領(lǐng)當下清潔能源熱潮的新技術(shù)，鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)高速發(fā)展了近十年。2011 年，第一個光能轉(zhuǎn)換效率超過 10% 的鈣鈦礦太陽能電池在牛津大學(xué)的克拉倫登實驗室誕生。如今，最先進的鈣鈦礦半導(dǎo)體材料早已能使上述光能轉(zhuǎn)換效率翻倍。低廉的制造成本、高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)和輕巧柔軟的材料特性，讓鈣鈦礦倍受學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界青睞。但是，鈣鈦礦太陽能電池作為一種清潔能源技術(shù)，在進入全球光伏市場的道路上依然存在諸多障礙，如何降低不良材質(zhì)導(dǎo)致的能耗，提升穩(wěn)定性，保證設(shè)備綠色安全無污染，都是亟待解決的技術(shù)性問題。

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鈣鈦礦太陽能電池的核心部件是由鈣鈦礦半導(dǎo)體形成的薄膜。當陽光照射時，鈣鈦礦材料中的一些電子就會吸收能量而脫離原子束縛。充滿能量的受激電子穿過材料中的晶格向一邊移動，要么從電池的一端逸出，然后作為有用的電流被電極迅速轉(zhuǎn)移走，要么遇上一個障礙或陷阱，從而失去能量，釋放出無用的熱量。因此，材料晶體缺陷越多，電子流動受阻越大，電池的光能轉(zhuǎn)化效率就越低。金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體是目前太陽能電池前沿技術(shù)中非常具有前景的核心部件，但這類材料存在一種電子層次上的不良現(xiàn)象，被稱作無輻射復(fù)合，這會降低電池的效率并加劇熱損失。

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在這篇 1 月 13 日發(fā)表的論文中，華東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院教授保秦燁和同事們找到了改變鈣鈦礦半導(dǎo)體表面區(qū)域的電子結(jié)構(gòu)、減少器件能量損失的方法——給鈣鈦礦“加點辣”。研究人員向“科研圈”表示，他們一直在尋找簡單有效的添加劑，希望利用綠色可持續(xù)的生物添加技術(shù)，與無毒無鉛的鈣鈦礦半導(dǎo)體結(jié)合，發(fā)展出性能更高、完全綠色的鈣鈦礦太陽能電池。這時，辣椒素出現(xiàn)了。

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辣椒素源自辣椒的活性成分，也是為美食帶來辛辣刺激風味的源頭。但是在材料物理學(xué)家眼中，它還是一種天然森林基生物材料，適合于未來大規(guī)模生產(chǎn)高效鈣鈦礦太陽能電池。這類材料具備鈍化鈣鈦礦中的缺陷并調(diào)控界面能級的能力，進而提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。

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圖片來源：Pixabay

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研究人員綜合考慮了辣椒素的電學(xué)、化學(xué)、光學(xué)和穩(wěn)定性，認為它很可能是一種能夠降低鈣鈦礦薄膜的晶體缺陷密度、避免無輻射復(fù)合導(dǎo)致的效率損失的添加劑。

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為了測試辣椒素的實際效果，研究團隊將測試找到的最佳濃度——0.1％（質(zhì)量比）的辣椒素添加到了 MAPbI3 鈣鈦礦前體中，然后用這個“加了辣”的材料制造太陽能電池。接下來，研究人員應(yīng)用了紫外光電子光譜、X 射線光電子光譜和時間分辨光致發(fā)光等一系列技術(shù)，檢測添加的辣椒素會對太陽能電池的性能產(chǎn)生何種影響。

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他們發(fā)現(xiàn)，對照組電池設(shè)備的光能轉(zhuǎn)換效率為 19.1％，而加了辣椒素的電池設(shè)備為 21.88％，幾乎與單晶 MAPbI3 器件 21.93％ 的記錄一樣高。此外，這種辣椒素太陽能電池還顯示出更高的穩(wěn)定性，在環(huán)境中放置 800 小時后，仍可以將效率維持在其初始數(shù)值的 90％ 以上。

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研究者還發(fā)現(xiàn)，辣椒素可大大降低鈣鈦礦薄膜的缺陷密度，將電子密度提高一個數(shù)量級，并能促進電荷傳輸。此外，他們在加了辣椒素的太陽能電池中觀察到較小的泄漏電流，這表明該化合物成功抑制了無輻射復(fù)合。

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研究人員解釋道，辣椒素之所以有效，是因為它通過改變鈣鈦礦材料的表層能量，在 p 型半導(dǎo)體層和 n 型半導(dǎo)體層之間形成了界面。由于 p 型半導(dǎo)體層包含的“空穴”多于電子，而 n 型半導(dǎo)體層包含的電子多于“空穴”，辣椒素形成的界面能夠促進電荷傳輸并抑制傳統(tǒng)鈣鈦礦半導(dǎo)體中出現(xiàn)的效率損失。

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綠色無毒、可持續(xù)獲取的辣椒素，非常適合作為添加劑與無毒無鉛鈣鈦礦半導(dǎo)體結(jié)合，提高鈣鈦礦太陽能電池的安全性和穩(wěn)定性，這也是未來鈣鈦礦太陽能電池達成廣泛應(yīng)用的重要一環(huán)。但與此同時，研究人員也指出，辣椒素對無毒、無鉛鈣鈦礦（如無機鈣鈦礦和雙鈣鈦礦）的作用仍需要更深入的研究。在投入商業(yè)應(yīng)用之前，這種新材料的穩(wěn)定性也必須得到進一步提高。

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不止辣椒，還有咖啡

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其實，把生物材料用作鈣鈦礦太陽能電池的“助推劑”已經(jīng)不是首次出現(xiàn)了。2019 年 4 月，美國加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程學(xué)院的楊陽教授和他的同事發(fā)現(xiàn)，咖啡因能顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的熱穩(wěn)定性、將太陽能電池的效率從 17% 提高到了 20%。

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這項研究的靈感來自楊陽組里兩名博士生的日常——一邊喝咖啡一邊討論鈣鈦礦研究：既然人需要咖啡來提神，那鈣鈦礦是不是也是如此？答案是肯定的。

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咖啡因是一種常見的生物堿，它的羰基基團可以和鈣鈦礦的鉛離子形成一個分子鎖，這可以提高鈣鈦礦的穩(wěn)定性。同時，這樣的分子鎖可以降低鈣鈦礦晶體的成核速度，得到更高質(zhì)量的鈣鈦礦多晶薄膜，且可以使鈣鈦礦的晶粒更具有取向性，從而提高電子在材料晶格中的傳輸效率，進而提升鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

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在接下來的實驗中，楊陽的研究組將咖啡因添加到 40 個太陽能電池的鈣鈦礦層中，在紅外吸收光譜的確認下，他們發(fā)現(xiàn)咖啡因能成功與鈣鈦礦結(jié)合。在進一步的透射電子顯微鏡測試中，這種“喝了咖啡”的鈣鈦礦材料被電子束加熱時，分子鎖還是保持穩(wěn)定，并能將太陽能電池的輸出功率提高了大約五分之一。

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來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校的“咖啡因”鈣鈦礦太陽能電池。圖片來源：Jingjing Xue | Scientific American

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如果說給鈣鈦礦“喝咖啡”來自一次從天而降的尤里卡時刻，那么給鈣鈦礦“加辣”則更接近一場有準備的計劃。

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這篇新論文的研究者表示，他們將進一步關(guān)注辣椒素、木質(zhì)素等天然森林基生物材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及它們與光敏材料的相互作用以及相應(yīng)的光伏性能。未來，綠色和可持續(xù)性的生物材料添加技術(shù)，將成為無毒無鉛鈣鈦礦材料的明顯趨勢。獲得一種完全綠色環(huán)保的、能作為清潔能源的鈣鈦礦太陽能電池，是他們最終的希望。


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