北極星太陽能光伏網訊:據外媒報導，科學家發現，咖啡因可以讓傳統太陽能電池更加有效地將光轉化為電能，是一種很有前途的替代品。
來自加州大學洛杉磯分校(UCLA)納米中心和中國陽光能源公司的科學家們發現咖啡因可以助力新型
太陽能電池提高光電轉換效率。
研究人員在40個太陽能電池的鈣鈦礦層中加入咖啡因，並使用紅外光譜，通過紅外輻射識別化合物，來確定咖啡因是否成功地與這些物質結合。經過進一步的紅外光譜測試，他們發現，咖啡因中的羰基與鉛離子相互作用，形成「分子鎖」。分子鎖增加薄膜結晶過程中的活化能，提供具有優先取向的鈣鈦礦薄膜，改善電子性能，減少離子遷移，使太陽能電池的效率從17%提高到20%以上。材料加熱時，繼續產生分子鎖，有助於防止熱量產生破壞，大大提高電池的性能和熱穩定性。
研究人員認為，咖啡因可能會推動鈣鈦礦太陽能電池的大規模量產。在發現這背後的意義後，他們著手開始更進一步的研究。
具體研究內容
1、咖啡因對PVSK薄膜晶體生長的影響
首先對比了傅立葉紅外表徵了摻雜咖啡因前後PVSK的吸收峰變化，表明了退火後PVSK薄膜中存在咖啡因，並且咖啡因可能通過PVSK中的Pb2+與咖啡因中的一個C=O鍵之間的相互作用與MAPbI3形成加合物。另外測量了PbI2-MAI-DMSO咖啡因加合物的FTIR，並觀察到相同的C=O伸縮振動從1,652 cm-1轉移到1,643 cm-1。因此，推斷咖啡因中C=O與Pb2+離子的這種強相互作用將作為增加成核活化能的分子鎖，這延遲了鈣鈦礦PVSK晶體生長並改善了具有優先取向的PVSK膜的結晶度。更重要的是，殘餘分子鎖在加熱時再次與非晶化PVSK相互作用，這在抑制熱誘導分解中起關鍵作用。
圖1、(A)咖啡因的Lewis結構式和3D結構模型;(B)咖啡因、咖啡因+MAPbI3、MAPbI3三種材料的FTIR譜圖及指紋圖譜;(C)咖啡因、PbI2-MAI-DMSO-咖啡因兩種材料的FTIR譜圖及指紋圖譜。
接下來進一步表徵了鈣鈦礦薄膜的微觀結構、膜質量、電荷複合動力學以及晶體結構。
圖2、(A)含咖啡因鈣鈦礦薄膜的橫斷面SEM圖像;(B-C)有/無咖啡因的PVSK薄膜的光致發光(PL)(B)和時間分辨PL光譜(C);(D)有/無咖啡因的PVSK膜的XRD圖像;(E)MAPbI3膜和含咖啡因MAPbI3膜中的2D掠入射廣角X射線衍射(GIWAXS)沿(110)晶面的徑向積分強度圖。
2、器件性能和TPC/TPV分析
用n-i-p平面結構製造光伏器件，ITO用作陽極，使用納米氧化錫作為電子傳輸層。純MAPbI3和MAPbI3摻雜各種濃度的咖啡因用作活性層，摻雜有TPFB的PTAA用作空穴傳輸層(HTL)，銀(Ag)用作陰極，器件性能及TPC/TPV分析如下：
表1、含有不同質量分數咖啡因MAPbI3鈣鈦礦器件的性能。
圖3、(A)原始PVSK和含咖啡因的PVSK的最優PSC在反向掃描方向上的J-V曲線;(B)原始PVSK和含咖啡因的PVSK器件的EQE光譜的EQE光譜和積分電流密度;(C-D)基於MAPbI3和含咖啡因MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池的歸一化瞬態光電壓(TPV)衰減(C)和歸一化瞬態光電流(TPC)衰減(D)。
3、熱穩定性和TGA分析
為證明咖啡因在熱降解過程中對相應的PVSK器件的分子鎖定作用，作者在85℃氮氣環境下，基於純MAPbI3和含咖啡因MAPbI3相應的PVSK器件進行了連續熱應力穩定性測試。含咖啡因的MAPbI3器件具有良好的熱穩定性，在1300 h後仍能保持86%的原始PCE。
圖4、(A)裝置在85℃氮氣箱內連續退火後的熱穩定性;(B)基於純MAPbI3和含咖啡因MAPbI3的老化裝置XRD圖譜;(C-D)咖啡因、MAI-PbI2-DMSO粉末和MAI-PbI2-DMSO-咖啡因粉末的失重(C)和熱流(D)熱重分析(TGA)。
4、材料的微觀結構分析
為進一步研究咖啡因在抑制離子遷移和熱分解中的作用，對材料進行了微觀結構分析。首先進行了橫斷面掃描透射電子顯微鏡(STEM)和能量色散X射線(EDX)光譜分析。在經過聚焦離子束(FIB)的1,300 h熱穩定性測試之後，直接從裝置收集樣品。從STEM結果來看，含咖啡因薄膜中抑制了離子遷移，保證了器件的高耐熱性。
圖5、(A-F)老化的純PVSK器件(A)Ag，(B)I和(C)Pb以及老化的含咖啡因的PVSK器件(D)Ag，(E)I和(F)Pb的能量色散X射線光譜(EDX)映射;(G-H)老化的純PVSK器件和老化的含咖啡因的PVSK器件的EDX線掃描。
作者還利用實時高解析度透射電鏡(HRTEM)的電子束用作熱能源研究咖啡因對PVSK相變的影響。結果表明，咖啡因添加劑的存在與非晶化PVSK再次相互作用，增加了PVSK的分解活化能，其鎖定PVSK的非晶化相，從而防止PVSK在暴露於高溫時降解。
圖6、高解析度透射電子顯微鏡(HRTEM)的(A)新鮮的含有咖啡因PVSK，(C)新鮮
的純PVSK，(E)老化(5分鐘30秒)的含有咖啡因PVSK，和(G)老化(5分30秒)純PVSK。相應的快速傅立葉變換(FFT)(B)新鮮的含有咖啡因PVSK，(D)新鮮的純PVSK，(F)老化(5分30秒)的含咖啡因PVSK，和(H)老化(5分30秒)純PVSK。
全文總結
作者開發使用帶有雙羰基的共軛路易斯鹼-咖啡因作為PVSK的分子鎖。咖啡因與Pb2+離子之間的強烈相互作用增加了PVSK薄膜的生長活化能，促進了高質量薄膜的生長，其顯示出優先取向和優異的電子性質。因此，該裝置的PCE高達20.25%。同時，優異的薄膜質量抑制了離子的遷移，殘留的共軛分子鎖有效地防止了任何形式的熱降解(PVSK膜生成的逆反應)，基於包含咖啡因PVSK的太陽能電池在85℃下熱穩定超過1,300小時。
儘管咖啡因的確能幫助鈣鈦礦太陽能電池提升性能，但研究人員認為在其他類型的太陽能電池中，它並不能起到相似的作用。咖啡因獨特的分子結構決定了它能夠和鈣鈦礦前驅液相互作用，這使得這種獨特的太陽能電池或許能在市場上嶄露頭角。鈣鈦礦太陽能電池相較於它的競爭者矽電池，成本低廉、柔韌性好，他們在工業生產方式上還更簡單——相較於矽所採用的單晶生長，鈣鈦礦則可以實現基於溶液方法的製備。王睿相信咖啡因或許能在鈣鈦礦電池的大規模生產中起到關鍵作用。咖啡因能幫助鈣鈦礦實現高結晶性、低缺陷濃度和高穩定性，這在鈣鈦礦電池大規模生產中非常關鍵。為了進一步提升太陽能電池的效率和穩定性，該團隊下一步計劃將更深入地理解鈣鈦礦和咖啡因之間的相互作用，以確認鈣鈦礦最好的保護材料。
北極星太陽能光伏網聲明：此資訊系轉載自北極星電力網合作媒體或網際網路其它網站，北極星太陽能光伏網登載此文出於傳遞更多信息之目的，並不意味著贊同其觀點或證實其描述。文章內容僅供參考。