太陽(yáng)能電池“喝”了咖啡會(huì)更厲害？一文深度研究

:據(jù)外媒報(bào)道，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，咖啡因可以讓傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池更加有效地將光轉(zhuǎn)化為電能，是一種很有前途的替代品。

來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)納米中心和中國(guó)陽(yáng)光能源公司的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)咖啡因可以助力新型

太陽(yáng)能電池提高光電轉(zhuǎn)換效率。

研究人員在40個(gè)太陽(yáng)能電池的鈣鈦礦層中加入咖啡因，并使用紅外光譜，通過(guò)紅外輻射識(shí)別化合物，來(lái)確定咖啡因是否成功地與這些物質(zhì)結(jié)合。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的紅外光譜測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)，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(jié)晶過(guò)程中的活化能，提供具有優(yōu)先取向的鈣鈦礦薄膜，改善電子性能，減少離子遷移，使太陽(yáng)能電池的效率從17%提高到20%以上。材料加熱時(shí)，繼續(xù)產(chǎn)生分子鎖，有助于防止熱量產(chǎn)生破壞，大大提高電池的性能和熱穩(wěn)定性。

研究人員認(rèn)為，咖啡因可能會(huì)推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的大規(guī)模量產(chǎn)。在發(fā)現(xiàn)這背后的意義后，他們著手開(kāi)始更進(jìn)一步的研究。

具體研究?jī)?nèi)容

1、咖啡因?qū)VSK薄膜晶體生長(zhǎng)的影響

首先對(duì)比了傅里葉紅外表征了摻雜咖啡因前后PVSK的吸收峰變化，表明了退火后PVSK薄膜中存在咖啡因，并且咖啡因可能通過(guò)PVSK中的Pb2+與咖啡因中的一個(gè)C=O鍵之間的相互作用與MAPbI3形成加合物。另外測(cè)量了PbI2-MAI-DMSO咖啡因加合物的FTIR，并觀察到相同的C=O伸縮振動(dòng)從1,652 cm-1轉(zhuǎn)移到1,643 cm-1。因此，推斷咖啡因中C=O與Pb2+離子的這種強(qiáng)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(zhǎng)并改善了具有優(yōu)先取向的PVSK膜的結(jié)晶度。更重要的是，殘余分子鎖在加熱時(shí)再次與非晶化PVSK相互作用，這在抑制熱誘導(dǎo)分解中起關(guān)鍵作用。

圖1、(A)咖啡因的Lewis結(jié)構(gòu)式和3D結(jié)構(gòu)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(lái)進(jìn)一步表征了鈣鈦礦薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、膜質(zhì)量、電荷復(fù)合動(dòng)力學(xué)以及晶體結(jié)構(gòu)。

圖2、(A)含咖啡因鈣鈦礦薄膜的橫斷面SEM圖像;(B-C)有/無(wú)咖啡因的PVSK薄膜的光致發(fā)光(PL)(B)和時(shí)間分辨PL光譜(C);(D)有/無(wú)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(qiáng)度圖。

2、器件性能和TPC/TPV分析

用n-i-p平面結(jié)構(gòu)制造光伏器件，ITO用作陽(yáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yōu)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)基于MAPbI3和含咖啡因MAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的歸一化瞬態(tài)光電壓(TPV)衰減(C)和歸一化瞬態(tài)光電流(TPC)衰減(D)。

3、熱穩(wěn)定性和TGA分析

為證明咖啡因在熱降解過(guò)程中對(duì)相應(yīng)的PVSK器件的分子鎖定作用，作者在85℃氮?dú)猸h(huán)境下，基于純MAPbI3和含咖啡因MAPbI3相應(yīng)的PVSK器件進(jìn)行了連續(xù)熱應(yīng)力穩(wěn)定性測(cè)試。含咖啡因的MAPbI3器件具有良好的熱穩(wěn)定性，在1300 h后仍能保持86%的原始PCE。

圖4、(A)裝置在85℃氮?dú)庀鋬?nèi)連續(xù)退火后的熱穩(wěn)定性;(B)基于純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(jié)構(gòu)分析

為進(jìn)一步研究咖啡因在抑制離子遷移和熱分解中的作用，對(duì)材料進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析。首先進(jìn)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(jīng)過(guò)聚焦離子束(FIB)的1,300 h熱穩(wěn)定性測(cè)試之后，直接從裝置收集樣品。從STEM結(jié)果來(lái)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(shí)時(shí)高分辨率透射電鏡(HRTEM)的電子束用作熱能源研究咖啡因?qū)VSK相變的影響。結(jié)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在暴露于高溫時(shí)降解。

圖6、高分辨率透射電子顯微鏡(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(yīng)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(jié)

作者開(kāi)發(fā)使用帶有雙羰基的共軛路易斯堿-咖啡因作為PVSK的分子鎖?？Х纫蚺cPb2+離子之間的強(qiáng)烈相互作用增加了PVSK薄膜的生長(zhǎng)活化能，促進(jìn)了高質(zhì)量薄膜的生長(zhǎng)，其顯示出優(yōu)先取向和優(yōu)異的電子性質(zhì)。因此，該裝置的PCE高達(dá)20.25%。同時(shí)，優(yōu)異的薄膜質(zhì)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(yīng))，基于包含咖啡因PVSK的太陽(yáng)能電池在85℃下熱穩(wěn)定超過(guò)1,300小時(shí)。

盡管咖啡因的確能幫助鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提升性能，但研究人員認(rèn)為在其他類型的太陽(yáng)能電池中，它并不能起到相似的作用。咖啡因獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)決定了它能夠和鈣鈦礦前驅(qū)液相互作用，這使得這種獨(dú)特的太陽(yáng)能電池或許能在市場(chǎng)上嶄露頭角。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相較于它的競(jìng)爭(zhēng)者硅電池，成本低廉、柔韌性好，他們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)方式上還更簡(jiǎn)單——相較于硅所采用的單晶生長(zhǎng)，鈣鈦礦則可以實(shí)現(xiàn)基于溶液方法的制備。王睿相信咖啡因或許能在鈣鈦礦電池的大規(guī)模生產(chǎn)中起到關(guān)鍵作用?？Х纫蚰軒椭}鈦礦實(shí)現(xiàn)高結(jié)晶性、低缺陷濃度和高穩(wěn)定性，這在鈣鈦礦電池大規(guī)模生產(chǎn)中非常關(guān)鍵。為了進(jìn)一步提升太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性，該團(tuán)隊(duì)下一步計(jì)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(rèn)鈣鈦礦最好的保護(hù)材料。

原標(biāo)題:太陽(yáng)能電池“喝”了咖啡會(huì)更厲害？一文深度研究