鈣鈦礦太陽能電池具有與單晶硅接近的光電轉換效率

在科技的發(fā)展道路上，離不開能源的助力，特別是再科技飛速發(fā)展的今天，而地球上的能源有限，就需要科研人員不斷開發(fā)新能源，這就再當下最需要研發(fā)太陽能的使用。近年來，由于鈣鈦礦太陽能電池具有與單晶硅接近的光電轉換效率，且制備工藝相對簡單，成本也較為低廉，所以受到了全球學術界和產業(yè)界的廣泛關注，發(fā)展迅速。

在一篇剛剛發(fā)表于《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、錦州陽光能源公司的研究團隊，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(wěn)定性，將轉換效率從17%提升到20%。

喝咖啡產生的靈感

楊陽在接受《環(huán)球科學》采訪時表示：“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?，F在主要問題在于鈣鈦礦電池的面積放大之后，光電轉換效率會下降。我們把學術界的產品拿到產業(yè)界做大之后，有時候效果不像理想中的那么好。”

楊陽教授的研究組一直在從事鈣鈦礦太陽能電池的研究。一天早上，楊陽研究組里的兩個博士生王睿和薛晶晶，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，那么鈣鈦礦呢?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堿，它里面的未成對電子可以與鈣鈦礦材料中的鉛離子相互作用?？Х纫蚍肿由系聂驶鶊F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(wěn)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。

咖啡因可提高鈣鈦礦輸出功率

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，并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。結果顯示，咖啡因中羰基的特征峰發(fā)生了移動，這意味著咖啡因已成功與鈣鈦礦結合。

在進一步的透射電子顯微鏡測試中，這種“喝了咖啡”的鈣鈦礦材料被電子束加熱時，分子鎖還是保持穩(wěn)定。楊陽說：“我們把這種喝了咖啡的鈣鈦礦做成太陽能電池，發(fā)現其輸出功率提高了大約20%”。

這說明咖啡因可以幫助鈣鈦礦獲得高結晶度、低缺陷和良好的穩(wěn)定性。這也意味著它可能在鈣鈦礦太陽能電池的產業(yè)化中發(fā)揮巨大作用。

咖啡因與鈣鈦礦

咖啡因學名是1,3,7-三甲基黃嘌呤，結構式如下圖。在楊陽教授領導的研究中，起到關鍵作用的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。

氧原子最外層電子一共有6個，組成碳氧雙鍵后還有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。

在太陽能電池領域，一般使用的是有機無機復合的鈣鈦礦。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后，鈣鈦礦吸收了光子以后會產生電子-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。

鈣鈦礦太陽能電池現狀

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。

目前單晶硅光電轉換效率的世界紀錄是26%，而鈣鈦礦的世界紀錄是24%左右，兩者差別不大。不過鈣鈦礦材料天生就有很好的光電特性，相比于間接帶隙的單晶硅，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。鈣鈦礦太陽能電池的另一個缺點在于，它的穩(wěn)定性還不夠好。如果能提升鈣鈦礦的穩(wěn)定性，將其壽命提到20年，那么鈣鈦礦是很有可能取代單晶硅的。

現在看來，無論未來的產業(yè)化道路怎么樣。在2019年，由中國人發(fā)現的愛喝咖啡的太陽能電池，至少可以與2011年日本人發(fā)現的愛喝酒的高溫超導體相媲美。目前太陽能還未能更好被人類利用，需要科研人員不斷努力，研究出更高效地產品，這樣才能保證我們人類的能源夠人類發(fā)展所需。