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咖啡应用多,除了可利用咖啡渣拿来制作锂电池阴极,咖啡所含有的咖啡因也能助钙钛矿太阳能一臂之力。最近加州大学洛杉矶分校科学团队从“喝咖啡”获得灵感,研发出咖啡因─钙钛矿太阳能电池,有望进一步改善钙钛矿电池的热稳定度,并再度提高转换效率。

该图显示了研究人员用咖啡因增强的太阳能电池。

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图片来源:王瑞和薛晶晶

钙钛矿太阳能具有转换效率高与低成本优势,其转换效率已在短短10年内跃升至24%以上,只可惜该太阳能电池不耐光、水与热,难以跨越实验室门槛,而UCLA台湾教授杨阳的团队最近发现,咖啡因或许能解决钙钛矿电池热稳定度低的问题。

来自加利福尼亚大学洛杉矶分校和中国的Solargiga
Energy的科学家们发现,咖啡因有助于使传统太阳能电池成为一种有前途的替代品,可以更有效地将光转换为电能。他们的研究发表在4月25日的Joule杂志上,可能使这种具有成本效益的可再生能源技术在市场上与硅太阳能电池竞争。

说来有趣,一切研究都是从“许多人都用喝杯咖啡来提神,那钙钛矿太阳能是否也可以喝咖啡来醒脑?”这种仿佛研究到心累的玩笑开始,但他们又想到咖啡因的沸点约在300°C左右,远高于太阳能电池的工作温度,确实可以试一试。

这个想法开始于早晨咖啡的笑话。“有一天,正如我们讨论钙钛矿太阳能电池一样,我们的同事王瑞说,如果我们需要咖啡来增加我们的能量,那么钙钛矿呢?他们需要咖啡才能更好地发挥作用吗?”Jingjing
Jing博士回忆说杨洋教授在加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系的研究小组。

过去研究通常是用二甲基亚碸等化合物来强化钙钛矿层的热稳定度,从来没有尝试采用咖啡因,但团队研究发现,咖啡因是种生物碱化合物,可以跟钙钛矿材料的前体相互作用,进而形成钙钛矿电池的光吸收层。

随意评论使团队回忆起咖啡中的咖啡因是一种含有分子结构的生物碱化合物,可以与钙钛矿材料的前体相互作用

具有特定晶体结构的化合物,形成一类太阳能电池中的光捕获层。以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,但研究人员一直在努力提高电池的效率和长期稳定性。没有人尝试过咖啡因。

意识到他们可能会在某些事情上,团队放下他们的咖啡并开始进一步调查。他们在四十个太阳能电池的钙钛矿层中添加了咖啡因,并使用红外光谱(使用红外辐射来识别化合物)来确定咖啡因是否成功地与材料结合。

他们进行了进一步的红外光谱测试,发现咖啡因中的羰基与层中的铅离子相互作用,形成“分子锁定”。这种相互作用增加了钙钛矿膜反应所需的最小能量,使太阳能电池效率从17%提高到20%以上。当材料被加热时,分子锁继续发生,这可以帮助防止热量分解层。

“我们对结果感到惊讶,”Wang说,他也是加州大学洛杉矶分校杨氏研究小组的博士候选人。“在我们第一次尝试加入咖啡因时,我们的钙钛矿太阳能电池几乎达到了我们在纸张中实现的最高效率。”

因此团队开始进行测试,在40个钙钛矿太阳能电池中添入咖啡因后,运用红外线辐射来观察咖啡因跟钙钛矿层的化学接合状况,最后发现咖啡因中的羰基会跟钙钛矿层的铅离子相互反应,形成暨稳定与强大的接合状态“分子锁”(molecular
lock)。

虽然咖啡因似乎能显着改善利用钙钛矿吸收阳光的细胞的性能,但研究人员并不认为它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成为市场上的优势。钙钛矿太阳能电池已经具有比硅对应物更便宜和更灵活的优点。它们也更容易制造

钙钛矿电池可以由基于溶液的前体制成,而不是固体晶锭。通过进一步研究,Wang认为咖啡因可能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获得高结晶度,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可扩展生产中发挥作用。”

为了继续提高太阳能电池的效率和稳定性,该团队接下来计划进一步研究含有咖啡因的钙钛矿材料的化学结构,并确定钙钛矿的最佳保护材料。

这种反应有利于钙钛矿太阳能运行,将太阳能转换效率从17%提高到超过20%之余,也能提升太阳能的热稳定度。团队指出,咖啡因效果出乎意料得好,团队在首次加入咖啡因后,就发现钙钛矿太阳能转换效率已快达到过去研究的最高点。

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