辣椒素提升钙钛矿电池效率到21.88％？这是真的！

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到钙钛矿半导体，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。

（转载自微信公众号“华东师范大学”，内容来源：物理与电子科学学院、中国科学报）

1月14日，该成果以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、本科生侯彰钰分别为论文的第一作者以及共同第一作者。

为什么选择辣椒素？

有机金属卤化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。

但是，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。大量的工作已证实界面电子结构匹配在减小器件能量损失方面起着至关重要的作用。

保秦烨表示：“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。”

为什么选了辣椒素化合物呢？

“我们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，并取得了不错的效果”，保秦烨说。

器件中的能量辐射损失得到了有效抑制

研究人员把天然分子辣椒素作为添加剂引入到钙钛矿半导体，利用自行设计、定制的高分辨、高精密光电子能谱原位分析系统发现钙钛矿半导体的表面电子结构经历了从原先的p型到n型的完全转变，霍尔效应测量进一步证实了这一新的现象。

探索发现这种转变源于钙钛矿半导体表面区域自发形成的p-n同质结，同时证实了该同质结结构位于薄膜表面以下大约100 nm处。钙钛矿半导体表面电子结构的转变与顶部电子传输层(n型)更加匹配，促进了界面电荷传输，减少了界面处电荷非辐射复合损失。

▲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

在以上界面现象的指导下，课题组构建并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，这两个数值均是已报到的多晶MAPbI3的p-i-n结构器件的最高值。

“光电转换动力学综合分析表明，器件中的能量辐射损失得到了有效抑制。”论文第一作者熊少兵表示，该工作为深入理解软物质半导体界面电子结构特性与器件能量损失机制提供了思路。

保秦烨课题组长期聚焦基于光电子能谱与同步辐射表征技术的软物质半导体界面电子结构与光电特性调控研究。近期取得了一系列重要进展Adv. Mater. 2020, 32,2002344; Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000687; Nano Energy 2020,76, 105019; Nano Energy 2021, 79, 105505等。

未来，课题组计划使用绿色、可持续的基于森林系生物添加剂，并与无毒无铅钙钛矿半导体结合，最终可以实现完全绿色的钙钛矿电子器件。