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咖啡因有助于太阳能电池提供能量提升

2019-11-07 15:42:04

来自加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)和中国的Solargiga Energy的科学家发现,咖啡因可以帮助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。

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。

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。

意识到他们可能会做某些事情,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(与氧结合的碳原子)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。”

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。

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