“喝了咖啡”的钙钛矿光伏电池,输出功率和稳定性都更高了!

近年来,由于钙钛矿太阳能电池具有与单晶硅接近的光电转换效率,且制备工艺相对简单,成本也较为低廉,所以受到了全球学术界和产业界的广泛关注,发展迅速。

在一篇刚刚发表于《焦耳》的论文中,来自美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院、锦州阳光能源公司的研究团队,从咖啡中找到了提升钙钛矿太阳能电池效率的方法。该论文的通讯作者是加州大学洛杉矶分校的杨阳教授,他领导的研究小组观察到咖啡因中氧原子与钙钛矿材料中铅离子的相互作用,能显著提升钙钛矿太阳能电池的热稳定性,将转换效率从17%提升到20%。

喝咖啡产生的灵感

杨阳在接受《环球科学》采访时表示:“我相信在不久的将来,也许在两三内年,钙钛矿应该会追过单晶硅。现在主要问题在于钙钛矿电池的面积放大之后,光电转换效率会下降。我们把学术界的产品拿到产业界做大之后,有时候效果不像理想中的那么好。”

杨阳教授的研究组一直在从事钙钛矿太阳能电池的研究。一天早上,杨阳研究组里的两个博士生王睿和薛晶晶,边喝咖啡边讨论钙钛矿研究。王睿说:“我们人需要咖啡来提神,那么钙钛矿呢?也许它们也需要咖啡才能表现得更好?”

王睿不经意的一句话让薛晶晶联想到咖啡因是一种常见的生物碱,它里面的未成对电子可以与钙钛矿材料中的铅离子相互作用。咖啡因分子上的羰基基团可以和钙钛矿的铅离子形成一个分子锁,这可以提高钙钛矿分解所需要的能量势垒,从而让钙钛矿稳定下来。同时,这样的分子锁可以降低钙钛矿晶体的成核速度,得到更高质量的钙钛矿多晶薄膜,且可以使钙钛矿的晶粒更具有取向性,从而提高载流子的传输效率,这就可以提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

咖啡因可提高钙钛矿输出功率

杨阳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。结果显示,咖啡因中羰基的特征峰发生了移动,这意味着咖啡因已成功与钙钛矿结合。

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。杨阳说:“我们把这种喝了咖啡的钙钛矿做成太阳能电池,发现其输出功率提高了大约20%”。

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