科學家的腦洞！用咖啡改造太陽能電池後，能效提高了20％

知識 04-28

圖片來源：pixabay

撰文 | 張華

近年來，鈣鈦礦太陽能電池產業開始崛起，因為單晶硅與多晶硅的太陽能電池在提煉過程中需要消耗大量的電力，製造成本較高，而鈣鈦礦太陽能具有與單晶硅接近的光電轉換效率、但其製備工藝相對簡單，成本也較為低廉，所以鈣鈦礦太陽能電池受到了全球學術界和產業界的廣泛關注，發展迅速。

在一篇剛剛發表於《焦耳》的論文中，來自美國加州大學洛杉磯分校材料科學與工程學院與錦州陽光能源公司的研究團隊，意外地從咖啡中找到了提升鈣鈦礦太陽能電池效率的方法。該論文的通訊作者是加州大學洛杉磯分校的楊陽教授，他領導的研究小組觀察到咖啡因中氧原子與鈣鈦礦材料中鉛離子的相互作用，能顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的熱穩定性、將太陽能電池的效率從17%提高到20%，這使得鈣鈦礦太陽能電池取代晶硅電池的可能性變得更大。

咖啡因與鈣鈦礦

人類可以在咖啡與茶中找到大量的咖啡因。咖啡因的學名是1,3,7-三甲基黃嘌呤，從分子結構圖上可以看出它含有三個甲基。在楊陽教授領導的研究中，起到關鍵作用的不是咖啡因分子中的甲基，而是咖啡因分子中的氧原子。這些氧原子與碳原子構成了碳氧雙鍵。

我們知道，氧原子的最外層的電子一共有6個。組成碳氧雙鍵後還有4個電子沒有配對，咖啡因氧原子內的未配對電子可以與鈣鈦礦中的鉛離子相結合形成分子鎖。

鈣鈦礦是此次研究中的另一個主角。值得注意的是，這次實驗中使用的鈣鈦礦里並沒有鈣，也沒有鈦。

鈣鈦礦（Perovskite）材料是以俄國的礦物學家列維.佩羅夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。最早被發現的鈣鈦礦材料是鈣與鈦的複合氧化物。不過了到後來，鈣鈦礦的概念有了很大的延展，它已經不特指鈣鈦複合氧化物，而用來泛指一系列具有ABX3化學式的化合物，在這裡A可以是甲氨基等有機分子基團，而B可以是鉛原子（也可以是錫原子），X則一般含有鹵素原子。

鈣鈦礦結構示意圖

在太陽能電池領域，一般使用的是有機無機複合的鈣鈦礦。鈣鈦礦一般是作為太陽能電池的吸收層來使用，在接受太陽光的照射以後，鈣鈦礦吸收了光子以後會產生電子-空穴對。電子帶負電，而空穴可以看成是帶正電。這些電子-空穴對分道揚鑣成為太陽能電池中的載流子分別流向正負極，這樣就形成了光電流。所以，太陽能電池的物理原理，其實依然是愛因斯坦提出的光電效應。

鈣鈦礦太陽能電池現狀

太陽上每時每刻都在進行著核反應，核反應產生的太陽光照射在地球上，在每平方米的地面上帶來1000瓦特的太陽輻射功率。在地球上可以直接利用這些太陽光的能量來發電，這造就了太陽能電池這個行業。

太陽能電池一般是由很多層材料堆積起來的，其中起到光吸收作用的層叫做吸收層。

太陽能電池也按照吸收層的材料特性來命名，比如晶體硅太陽能電池的吸收層就是單晶硅或者多晶硅；薄膜太陽能電池的吸收層一般是厚度幾個微米的薄膜材料；而鈣鈦礦太陽能電池的吸收層就是鈣鈦礦。

在這些種類繁多的太陽能電池中，單晶硅技術已經很成熟了，因為人類已經在矽片上已經下了60年的功夫，將這個材料推向極致。但是提煉單晶硅的時候需要很高的溫度，所以單晶硅的提煉本身是一個高耗能的行業。

單晶硅的光電轉換效率的世界紀錄是26%，而鈣鈦礦的光電轉換效率的世界紀錄是24%左右，兩者差別不大。

但鈣鈦礦有著特有的優點。鈣鈦礦材料天生就有很好的光電特性：相比於間接帶隙的單晶硅，它是直接帶隙，所以鈣鈦礦的熒光效率特別高，。

可惜的是，目前能實現的鈣鈦礦電池面積都很小，而單晶硅的面積則很大。所以從光電轉換效率兩說，兩者在伯仲之間；但從面積來說，單晶硅還是領先於鈣鈦礦的。鈣鈦礦太陽能電池的另一個缺點在於，它的穩定性還不夠好。如果能提升鈣鈦礦的穩定性、將其壽命提到20年，那麼鈣鈦礦是很有可能取代單晶硅的。

喝咖啡產生的靈感

楊陽在接受《環球科學》採訪時表示：「我相信在不久的將來，也許在兩三內年，鈣鈦礦應該會追過單晶硅。現在主要的問題是鈣鈦礦電池的面積放大之後，它的光電轉換效率會往下跌。我們把學術界的產品拿到工業界做大之後，有時候也許不像理想中的那麼好。所以這個是學術界跟工業界的一個差異。」

楊陽教授的研究組一直在從事鈣鈦礦太陽能電池的研究。楊陽對「能產生電」或者「與光有關」的材料一直有很大的興趣，部分原因在於他博士剛畢業的時候在美國科學家艾倫·黑格（A. Heeger）教授的公司里工作。楊陽跟隨艾倫·黑格工作了四年多，剛開始主要做導電高分子材料，後來又開始做高分子OLED，這是有機 LED 的另外一個分支。有機 LED 後來產業化成功，做成了 OLED 面板，在智能手機上有很多應用。而艾倫·黑格因在導電聚合物領域的開創性貢獻，成為2000年的諾貝爾化學獎得主。

一天早上，楊陽研究組裡的兩個博士生，邊喝咖啡邊討論鈣鈦礦研究。王睿說：「我們人需要咖啡來提神，那麼鈣鈦礦呢？也許它們也需要咖啡才能表現得更好？」

王睿不經意的一句話讓薛晶晶聯想到咖啡因是一種常見的生物鹼，它裡面的未成對電子可以與鈣鈦礦材料中的鉛離子相互作用。咖啡因分子上的羰基基團可以和鈣鈦礦的鉛離子形成一個分子鎖。這可以提高鈣鈦礦分解所需要的能量勢壘，從而讓鈣鈦礦穩定下來。同時，這樣的分子鎖可以降低鈣鈦礦晶體的成核速度，得到更高質量的鈣鈦礦多晶薄膜，且可以使鈣鈦礦的晶粒更具有取向性，從而提高載流子的傳輸效率，這就可以提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率。

提高輸出功率

楊陽研究小組用加熱的方法將咖啡因添加到40個太陽能電池的鈣鈦礦層中，並使用紅外吸收光譜來確定咖啡因是否成功地與鈣鈦礦結合了。他們發現了咖啡因在與鈣鈦礦結合後，咖啡因中的羰基的特徵峰發生了移動，這意味著咖啡因已經成功與鈣鈦礦結合了。