“吃辣”的電池有能量!華東師大最新突破性的發現!

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華東師大科學家

最新研究發現

“吃辣”的電池“有能量”

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▲ 華東師大保秦燁教授(中)、博士研究生熊少兵(右)和本科生侯彰鈺

華東師範大學物理與電子科學學院保秦燁教授課題組把天然分子辣椒素作為新增劑引入到鈣鈦礦半導體,結合光電子能譜與光電器件,在國際上首次直接觀察到軟物質鈣鈦礦半導體表面電子結構從P型轉變成N型的新現象。

昨天,該成果以Direct observation on p- to n-type transformation of perovskite surface region during defect passivation driving high photovoltaic efficiency為題發表在Cell出版社期刊Joule上。

華東師範大學為論文的第一單位,博士研究生熊少兵、本科生侯彰鈺分別為論文的第一作者以及共同第一作者。

為什麼選擇辣椒素?

有機金屬鹵化鈣鈦礦半導體具有高光吸收係數、長載流子壽命和擴散距離、高電荷遷移率和可調帶隙等優異的光電效能,在發光二極體、光伏、探測器等光電器件上具有廣闊的應用前景。

但是,鈣鈦礦光伏器件內部存在大量的非輻射覆合能量損失,制約了其光電轉換效率的提升。大量的工作已證實介面電子結構匹配在減小器件能量損失方面起著至關重要的作用。

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▲ 實驗室製備的光伏器件

保秦燁表示:“希望透過新增劑改變鈣鈦礦半導體表面電子結構,與電荷傳輸層實現匹配的介面電子結構,從而減少器件能量損失。”

為什麼選了辣椒素化合物呢?

“我們一直在尋找使用綠色、可持續的基於森林系生物新增劑技術,並與無毒無鉛鈣鈦礦半導體結合,最終實現完全綠色的鈣鈦礦電子器件。透過綜合考慮辣椒素化合物的電學、化學、光學和穩定性等性質,我們初步認為它可能是一個很有效的新增劑,並取得了不錯的效果”,保秦燁說。

器件中的能量輻射損失

得到了有效抑制

研究人員把天然分子辣椒素作為新增劑引入到鈣鈦礦半導體,利用自行設計、定製的高分辨、高精密光電子能譜原位分析系統發現鈣鈦礦半導體的表面電子結構經歷了從原先的p型到n型的完全轉變,霍爾效應測量進一步證實了這一新的現象。

探索發現這種轉變源於鈣鈦礦半導體表面區域自發形成的p-n同質結,同時證實了該同質結結構位於薄膜表面以下大約100 nm處。鈣鈦礦半導體表面電子結構的轉變與頂部電子傳輸層(n型)更加匹配,促進了介面電荷傳輸,減少了介面處電荷非輻射覆合損失。

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▲ a。 溶液旋塗軟物質半導體薄膜;b。光電子能譜工作示意圖;c-e。 鈣鈦礦半導體表面電子結構從p到n型的完全轉變; f。 p-n同質結的形成;g。器件效率

在以上介面現象的指導下,課題組構建並實現了功率轉換效率為21。88%和填充因子為83。81%的鈣鈦礦光伏器件,這兩個數值均是已報到的多晶MAPbI3的p-i-n結構器件的最高值。

“光電轉換動力學綜合分析表明,器件中的能量輻射損失得到了有效抑制。”論文第一作者熊少兵表示,該工作為深入理解軟物質半導體介面電子結構特性與器件能量損失機制提供了思路。

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保秦燁課題組長期聚焦基於光電子能譜與同步輻射表徵技術的軟物質半導體介面電子結構與光電特性調控研究。近期取得了一系列重要進展Adv。 Mater。 2020, 32,2002344; Adv。 Energy Mater。 2020, 10, 2000687; Nano Energy 2020,76, 105019; Nano Energy 2021, 79, 105505等。

未來,課題組計劃使用綠色、可持續的基於森林系生物新增劑,並與無毒無鉛鈣鈦礦半導體結合,最終可以實現完全綠色的鈣鈦礦電子器件。

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