Koffein giver solcellerne et energiboost

Forskere fra University of California, Los Angeles (UCLA) og Solargiga Energy i Kina har opdaget, at koffein kan hjælpe med at gøre et lovende alternativ til traditionelle solceller mere effektivt til at omdanne lys til elektricitet. Deres forskning, offentliggjort 25. april i tidsskriftet Joule , kan gøre det muligt for denne omkostningseffektive vedvarende energiteknologi at konkurrere på markedet med siliciumsolceller.

Ideen begyndte som en joke over morgenkaffen. "En dag, da vi diskuterede perovskit-solceller, vores kollega Rui Wang sagde, 'Hvis vi har brug for kaffe for at booste vores energi, hvad så med perovskites? Ville de have brug for kaffe for at præstere bedre?'" husker Jingjing Xue, en ph.d. kandidat i professor Yang Yangs forskningsgruppe ved Institut for Materialevidenskab og Teknik ved UCLA.

Den direkte kommentar fik holdet til at huske, at koffeinen i kaffe er en alkaloidforbindelse, der indeholder molekylære strukturer, der kunne interagere med forstadier til perovskitmaterialer - forbindelser med en særlig krystalstruktur, der danner det lysindvindende lag i en klasse af solceller. Tidligere forsøg på at forbedre den termiske stabilitet af disse solceller har inkluderet forbedring af perovskitlaget ved at introducere forbindelser såsom dimethylsulfoxid, men forskere har kæmpet for at øge cellernes effektivitet og langsigtede stabilitet. Ingen havde prøvet koffein.

Ved at indse, at de måske er inde på noget, holdet lagde deres kaffe til side og begyndte at undersøge nærmere. De tilføjede koffein til perovskitlaget på fyrre solceller og brugte infrarød spektroskopi (som bruger infrarød stråling til at identificere kemiske forbindelser) for at fastslå, at koffeinen havde succes med at binde sig til materialet.

Udførelse af yderligere infrarøde spektroskopi-tests, de observerede, at carbonylgrupperne (et carbonatom dobbeltbundet til en oxygen) i koffein interagerede med blyioner i laget for at skabe en "molekylær lås". Denne interaktion øgede den minimale mængde energi, der kræves for, at perovskitfilmen kan reagere, øger solcelleeffektiviteten fra 17 procent til over 20 procent. Den molekylære låsning fortsatte med at opstå, når materialet blev opvarmet, hvilket kunne hjælpe med at forhindre varme i at nedbryde laget.

"Vi blev overraskede over resultaterne, " siger Wang, der også er ph.d. kandidat i Yangs forskningsgruppe ved UCLA. "Under vores første forsøg med at inkorporere koffein, vores perovskit-solceller nåede allerede næsten den højeste effektivitet, vi opnåede i papiret."

Men mens koffein ser ud til at forbedre ydeevnen af ​​celler, der bruger perovskit til at absorbere sollys, markant, forskerne tror ikke, det vil være nyttigt for andre typer solceller. Den unikke molekylære struktur af koffein tillader det kun at interagere med perovskit-prækursorer, hvilket kan give denne solcellevariant et forspring på markedet. Perovskite-solceller har allerede den fordel, at de er billigere og mere fleksible end deres siliciummodstykker. De er også nemmere at fremstille - perovskitceller kan fremstilles af opløsningsbaserede prækursorer i modsætning til faste krystalbarrer. Med yderligere forskning, Wang mener, at koffein kan lette produktionen af ​​perovskit-solceller i stor skala.

"Koffein kan hjælpe perovskitten med at opnå høj krystallinitet, få defekter, og god stabilitet, " siger han. "Dette betyder, at det potentielt kan spille en rolle i den skalerbare produktion af perovskit-solceller."

For at fortsætte med at forbedre solcellernes effektivitet og stabilitet, holdet planlægger dernæst at undersøge den kemiske struktur af det koffein-inkorporerede perovskit-materiale og at identificere de bedste beskyttende materialer til perovskiter.