加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)和SolargigaEnergy的科學(xué)家王睿(音譯)和薛晶晶(音譯)發(fā)現(xiàn)，咖啡因可以幫助制造一種很有前景的替代傳統(tǒng)太陽能電池的產(chǎn)品，這種產(chǎn)品在光能轉(zhuǎn)換方面效率更高。他們的研究發(fā)表在4月25日的《焦耳》(Joule)雜志上，該研究可能使這種低成本的可再生能源技術(shù)能夠在市場上與硅太陽能電池競爭。

這個主意開始于早上喝咖啡時的一個笑話。一天，當我們正在討論鈣鈦礦太陽能電池時，我們的同事王睿(音譯)說，如果我們需要咖啡來補充能量，那么鈣鈦礦呢？他們需要咖啡來提高表現(xiàn)嗎？薛晶晶(音譯)回憶道，她是加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系楊洋(音譯)教授研究組的博士生。

這句隨口的評論讓研究團隊回想起，咖啡中的咖啡因是一種生物堿化合物，含有分子結(jié)構(gòu)，可以與鈣鈦礦材料的前體相互作用——這種化合物具有特定的晶體結(jié)構(gòu)，在一類太陽能電池中形成光收集層。此前，提高這些太陽能電池熱穩(wěn)定性的嘗試包括通過引入二甲基亞砜等化合物來增強鈣鈦礦層，但研究人員一直難以提高電池的效率和長期穩(wěn)定性。沒有人嘗試過咖啡因。

意識到他們可能發(fā)現(xiàn)了什么，團隊把咖啡放在一邊，開始進一步調(diào)查。他們將咖啡因添加到40個太陽能電池的鈣鈦礦層中，并使用紅外光譜(利用紅外輻射識別化合物)來確定咖啡因已經(jīng)成功地與材料結(jié)合。

通過進一步的紅外光譜測試，他們發(fā)現(xiàn)咖啡因中的羰基(一個碳原子與一個氧雙鍵)與該層中的鉛離子相互作用，形成了一個分子鎖。這種相互作用增加了鈣鈦礦薄膜反應(yīng)所需的最低能量，將太陽能電池的效率從17%提高到20%以上。當材料被加熱時，分子鎖會繼續(xù)發(fā)生，這有助于防止熱量分解。

這張照片顯示了研究人員用咖啡因增強的太陽能電池。(RuiWangandJingjingXue)

“我們對結(jié)果感到驚訝，”王說，他也是加州大學(xué)洛杉磯分校楊研究組的博士生。在我們第一次嘗試加入咖啡因的過程中，我們的鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)達到了我們在論文中達到的最高效率。

但是，盡管咖啡因似乎顯著提高了利用鈣鈦礦電池吸收陽光的性能，研究人員并不認為它會對其他類型的太陽能電池有用。咖啡因獨特的分子結(jié)構(gòu)只允許它與鈣鈦礦前體相互作用，這可能使這種太陽能電池品種在市場上具有優(yōu)勢。鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)具有比硅電池更便宜、更靈活的優(yōu)勢。它們也更容易制造——鈣鈦礦電池可以由基于溶液的前驅(qū)體制成，而不是固體晶體錠。隨著研究的深入，王相信咖啡因可以促進鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)。

咖啡因可以幫助鈣鈦礦達到高結(jié)晶度、低缺陷和良好的穩(wěn)定性，他說。這意味著它可能在鈣鈦礦太陽能電池的規(guī)模化生產(chǎn)中發(fā)揮作用。

為了繼續(xù)提高太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，研究小組下一步計劃進一步研究含有咖啡因的鈣鈦礦材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，并確定鈣鈦礦最好的保護材料。