咖啡因显著提高钙钛矿电池吸收阳光性能
发布日期：2019/4/30
加州大学洛杉矶分校(UCLA)和Solargiga Energy的科学家王睿(音译)和薛晶晶(音译)发现，咖啡 因可以帮助制造一种很有前景的替代传统太阳能电池的产品，这种产品在光能转换方面效率更高。他们的研究发表在4月25日的《焦耳》(Joule)杂志上，该研究可能使这种低成本的可再生能源技术能够在市场上与硅太阳能电池竞争。
这个主意开始于早上喝咖啡时的一个笑话。一天，当我们正在讨论钙钛矿太阳能电池时，我们的同事王睿(音译)说，如果我们需要咖啡来补充能量，那么钙钛矿呢？他们需要咖啡来提高表现吗？薛晶晶(音译)回忆道，她是加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系杨洋(音译)教授研究组的博士生。
这句随口的评论让研究团队回想起，咖啡中的咖啡 因是一种生物碱化合物，含有分子结构，可以与钙钛矿材料的前体相互作用——这种化合物具有特定的晶体结构，在一类太阳能电池中形成光收集层。此前，提高这些太阳能电池热稳定性的尝试包括通过引入二甲基亚砜等化合物来增强钙钛矿层，但研究人员一直难以提高电池的效率和长期稳定性。没有人尝试过咖啡 因。
意识到他们可能发现了什么，团队把咖啡放在一边，开始进一步调查。他们将咖啡 因添加到40个太阳能电池的钙钛矿层中，并使用红外光谱(利用红外辐射识别化合物)来确定咖啡 因已经成功地与材料结合。
通过进一步的红外光谱测试，他们发现咖啡 因中的羰基(一个碳原子与一个氧双键)与该层中的铅离子相互作用，形成了一个分子锁。这种相互作用增加了钙钛矿薄膜反应所需的最低能量，将太阳能电池的效率从17%提高到20%以上。当材料被加热时，分子锁会继续发生，这有助于防止热量分解。
这张照片显示了研究人员用咖啡 因增强的太阳能电池。(Rui Wang and Jingjing Xue)
“我们对结果感到惊讶，”王说，他也是加州大学洛杉矶分校杨研究组的博士生。在我们第一次尝试加入咖啡 因的过程中，我们的钙钛矿太阳能电池已经达到了我们在论文中达到的最高效率。
但是，尽管咖啡 因似乎显著提高了利用钙钛矿电池吸收阳光的性能，研究人员并不认为它会对其他类型的太阳能电池有用。咖啡 因独特的分子结构只允许它与钙钛矿前体相互作用，这可能使这种太阳能电池品种在市场上具有优势。钙钛矿太阳能电池已经具有比硅电池更便宜、更灵活的优势。它们也更容易制造——钙钛矿电池可以由基于溶液的前驱体制成，而不是固体晶体锭。随着研究的深入，王相信咖啡 因可以促进钙钛矿太阳能电池的大规模生产。
咖啡 因可以帮助钙钛矿达到高结晶度、低缺陷和良好的稳定性，他说。这意味着它可能在钙钛矿太阳能电池的规模化生产中发挥作用。
为了继续提高太阳能电池的效率和稳定性，研究小组下一步计划进一步研究含有咖啡 因的钙钛矿材料的化学结构，并确定钙钛矿最好的保护材料。
来源：每日科学 中国新能源网
