咖啡因能够视作古板太阳电瓶的代替品,有也许

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。

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近年来,钙钛矿太阳能电池产业开始崛起,因为单晶硅与多晶硅的太阳能电池在提炼过程中需要消耗大量的电力,制造成本较高,而钙钛矿太阳能具有与单晶硅接近的光电转换效率、但其制备工艺相对简单,成本也较为低廉,所以钙钛矿太阳能电池受到了全球学术界和产业界的广泛关注,发展迅速。科学家发现,咖啡因可以让传统太阳能电池更加有效地将光转化为电能,是一种很有前途的替代品。

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。

据加州大学洛杉矶分校和中国太阳能公司Solargiga Energy的研究人员介绍,这是从他们早上喝咖啡时开的一个玩笑开始的。“有一天,我们正在讨论钙钛矿太阳能电池,同事说,‘既然我们需要喝咖啡补充能量,那么钙钛矿呢?他们需不需要来点咖啡呢?”

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。

研究小组因此回想起,咖啡中的咖啡因是一种生物碱化合物,含有可与钙钛矿材料的前体相互作用的分子结构。这种化合物具有特别的晶体结构,可在该类太阳能电池中形成捕光层。以前,为了提高这些太阳能电池的热稳定性,研究人员曾尝试过通过引入二甲基亚砜等化合物,来增强钙钛矿层,但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。研究小组意识到,他们的想法可能有些道理,开始做进一步研究。

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。

研究小组用加热的方法将咖啡因添加到40个太阳能电池的钙钛矿层中,并使用红外吸收光谱来确定咖啡因是否成功地与钙钛矿结合了。他们发现了咖啡因在与钙钛矿结合后,咖啡因中的羰基的特征峰发生了移动,这意味着咖啡因已经成功与钙钛矿结合了。在进一步的透射电子显微镜测试中,这种“喝了咖啡”的钙钛矿材料被电子束加热时,分子锁还是保持稳定。随后,把这种喝了咖啡的钙钛矿做成太阳能电池,发现其输出功率——也就是电流与电压的乘积提高了大约20%”。

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)。

因此,这是一项重要的进展,这说明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。这也意味着它可能在钙钛矿太阳能电池的产业化中发挥巨大作用。

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。

不过,由于其作用机理是咖啡因与钙钛矿里的铅离子产生了相互作用,这一过程不适用于单晶硅太阳能电池。

目前团队也有研制出咖啡因钙钛矿太阳能原型,他们在二甲基甲酰胺、甲基碘化铵和碘化铅溶液中添入咖啡因之后,再以氧化铟锡玻璃为基板,打造出独一无二的咖啡因钙钛矿薄膜,最后再将之集成进太阳能电池中。

现在看来,无论未来的产业化道路怎么样。在2019年,由中国人发现的爱喝咖啡的太阳能电池,至少可以与2011年日本人发现的爱喝酒的高温超导体相媲美。

为了测试其耐热性,UCLA团队把咖啡因钙钛矿太阳能电池放在85°C的环境中,结果显示,咖啡因钙钛矿电池热稳定度相当不错,维持长达1,300小时,功率转换效率也可达86%。相较之下,传统钙钛矿太阳能电池在175小时之后,功率转换效率只剩下60%,为55天与7天的巨大差距。

他们在40个太阳能电池的钙钛矿层中加入咖啡因,并使用红外光谱,通过红外辐射识别化合物,来确定咖啡因是否成功地与这些物质结合。经过进一步的红外光谱测试,他们发现,咖啡因中的羰基与铅离子相互作用,形成“分子锁”。分子锁增加薄膜结晶过程中的活化能,提供具有优先取向的钙钛矿薄膜,改善电子性能,减少离子迁移,使太阳能电池的效率从17%提高到20%以上。材料加热时,继续产生分子锁,有助于防止热量产生破坏,大大提高电池的性能和热稳定性。

显然咖啡因不仅能让人们提神,也可以帮助钙钛矿太阳能“醒脑”,杨阳表示,咖啡因产生的特殊化学效果将有助于加速钙钛矿太阳能的商业化进展,而咖啡因也是他们发现第一个具有如此功效的化学分子,未来还会持续寻找类似效果的化合物。

咖啡因独特的分子结构只允许它与钙钛矿前体相互作用,因此这种太阳能电池在市场上可能更具优势。比起硅电池,钙钛矿太阳能电池更加便宜、更加灵活。而且更容易生产,钙钛矿电池可用基于溶液的前体制造,而不是固体晶体锭。研究人员认为,咖啡因可能会推动钙钛矿太阳能电池的大规模量产。

目前研究已发布在《Joule》。

亚洲城,(首图镊子上的就是咖啡因钙钛矿太阳能电池,来源:UCLA)

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