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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致大量電子富集，在這種半導體材料表面產(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的克拉倫登實驗室誕生。如今，最先進的鈣鈦礦半導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)導致的能耗，提升穩(wěn)定性，保證設備綠色安全無污染，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，華東師范大學物理與電子科學學院教授保秦燁和同事們找到了改變鈣鈦礦半導體表面區(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、化學、光學和穩(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、避免無輻射復合導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)，對照組電池設備的光能轉(zhuǎn)換效率為 19.1％，而加了辣椒素的電池設備為 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 型半導體層和 n 型半導體層之間形成了界面。由于 p 型半導體層包含的“空穴”多于電子，而 n 型半導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，美國加州大學洛杉磯分校材料科學與工程學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結(jié)構(gòu)，以及它們與光敏材料的相互作用以及相應的光伏性能。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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