太阳能电池“喝”了咖啡会更厉害？一文深度研究

据外媒报道，科学家发现，咖啡因可以让传统太阳能电池更加有效地将光转化为电能，是一种很有前途的替代品。

来自加州大学洛杉矶分校(UCLA)纳米中心和中国阳光能源公司的科学家们发现咖啡因可以助力新型

太阳能电池提高光电转换效率。

研究人员在40个太阳能电池的钙钛矿层中加入咖啡因，并使用红外光谱，通过红外辐射识别化合物，来确定咖啡因是否成功地与这些物质结合。经过进一步的红外光谱测试，他们发现，咖啡因中的羰基与铅离子相互作用，形成“分子锁”。分子锁增加薄膜结晶过程中的活化能，提供具有优先取向的钙钛矿薄膜，改善电子性能，减少离子迁移，使太阳能电池的效率从17%提高到20%以上。材料加热时，继续产生分子锁，有助于防止热量产生破坏，大大提高电池的性能和热稳定性。

研究人员认为，咖啡因可能会推动钙钛矿太阳能电池的大规模量产。在发现这背后的意义后，他们着手开始更进一步的研究。

具体研究内容

1、咖啡因对PVSK薄膜晶体生长的影响

首先对比了傅里叶红外表征了掺杂咖啡因前后PVSK的吸收峰变化，表明了退火后PVSK薄膜中存在咖啡因，并且咖啡因可能通过PVSK中的Pb2+与咖啡因中的一个C=O键之间的相互作用与MAPbI3形成加合物。另外测量了PbI2-MAI-DMSO咖啡因加合物的FTIR，并观察到相同的C=O伸缩振动从1,652 cm-1转移到1,643 cm-1。因此，推断咖啡因中C=O与Pb2+离子的这种强相互作用将作为增加成核活化能的分子锁，这延迟了钙钛矿PVSK晶体生长并改善了具有优先取向的PVSK膜的结晶度。更重要的是，残余分子锁在加热时再次与非晶化PVSK相互作用，这在抑制热诱导分解中起关键作用。

图1、(A)咖啡因的Lewis结构式和3D结构模型;(B)咖啡因、咖啡因+MAPbI3、MAPbI3三种材料的FTIR谱图及指纹图谱;(C)咖啡因、PbI2-MAI-DMSO-咖啡因两种材料的FTIR谱图及指纹图谱。

接下来进一步表征了钙钛矿薄膜的微观结构、膜质量、电荷复合动力学以及晶体结构。

图2、(A)含咖啡因钙钛矿薄膜的横断面SEM图像;(B-C)有/无咖啡因的PVSK薄膜的光致发光(PL)(B)和时间分辨PL光谱(C);(D)有/无咖啡因的PVSK膜的XRD图像;(E)MAPbI3膜和含咖啡因MAPbI3膜中的2D掠入射广角X射线衍射(GIWAXS)沿(110)晶面的径向积分强度图。

2、器件性能和TPC/TPV分析

用n-i-p平面结构制造光伏器件，ITO用作阳极，使用纳米氧化锡作为电子传输层。纯MAPbI3和MAPbI3掺杂各种浓度的咖啡因用作活性层，掺杂有TPFB的PTAA用作空穴传输层(HTL)，银(Ag)用作阴极，器件性能及TPC/TPV分析如下：

表1、含有不同质量分数咖啡因MAPbI3钙钛矿器件的性能。

图3、(A)原始PVSK和含咖啡因的PVSK的最优PSC在反向扫描方向上的J-V曲线;(B)原始PVSK和含咖啡因的PVSK器件的EQE光谱的EQE光谱和积分电流密度;(C-D)基于MAPbI3和含咖啡因MAPbI3钙钛矿太阳能电池的归一化瞬态光电压(TPV)衰减(C)和归一化瞬态光电流(TPC)衰减(D)。

3、热稳定性和TGA分析

为证明咖啡因在热降解过程中对相应的PVSK器件的分子锁定作用，作者在85℃氮气环境下，基于纯MAPbI3和含咖啡因MAPbI3相应的PVSK器件进行了连续热应力稳定性测试。含咖啡因的MAPbI3器件具有良好的热稳定性，在1300 h后仍能保持86%的原始PCE。

图4、(A)装置在85℃氮气箱内连续退火后的热稳定性;(B)基于纯MAPbI3和含咖啡因MAPbI3的老化装置XRD图谱;(C-D)咖啡因、MAI-PbI2-DMSO粉末和MAI-PbI2-DMSO-咖啡因粉末的失重(C)和热流(D)热重分析(TGA)。

4、材料的微观结构分析

为进一步研究咖啡因在抑制离子迁移和热分解中的作用，对材料进行了微观结构分析。首先进行了横断面扫描透射电子显微镜(STEM)和能量色散X射线(EDX)光谱分析。在经过聚焦离子束(FIB)的1,300 h热稳定性测试之后，直接从装置收集样品。从STEM结果来看，含咖啡因薄膜中抑制了离子迁移，保证了器件的高耐热性。

图5、(A-F)老化的纯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射线光谱(EDX)映射;(G-H)老化的纯PVSK器件和老化的含咖啡因的PVSK器件的EDX线扫描。

作者还利用实时高分辨率透射电镜(HRTEM)的电子束用作热能源研究咖啡因对PVSK相变的影响。结果表明，咖啡因添加剂的存在与非晶化PVSK再次相互作用，增加了PVSK的分解活化能，其锁定PVSK的非晶化相，从而防止PVSK在暴露于高温时降解。

图6、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)的(A)新鲜的含有咖啡因PVSK，(C)新鲜
的纯PVSK，(E)老化(5分钟30秒)的含有咖啡因PVSK，和(G)老化(5分30秒)纯PVSK。相应的快速傅立叶变换(FFT)(B)新鲜的含有咖啡因PVSK，(D)新鲜的纯PVSK，(F)老化(5分30秒)的含咖啡因PVSK，和(H)老化(5分30秒)纯PVSK。

全文总结

作者开发使用带有双羰基的共轭路易斯碱-咖啡因作为PVSK的分子锁。咖啡因与Pb2+离子之间的强烈相互作用增加了PVSK薄膜的生长活化能，促进了高质量薄膜的生长，其显示出优先取向和优异的电子性质。因此，该装置的PCE高达20.25%。同时，优异的薄膜质量抑制了离子的迁移，残留的共轭分子锁有效地防止了任何形式的热降解(PVSK膜生成的逆反应)，基于包含咖啡因PVSK的太阳能电池在85℃下热稳定超过1,300小时。

尽管咖啡因的确能帮助钙钛矿太阳能电池提升性能，但研究人员认为在其他类型的太阳能电池中，它并不能起到相似的作用。咖啡因独特的分子结构决定了它能够和钙钛矿前驱液相互作用，这使得这种独特的太阳能电池或许能在市场上崭露头角。钙钛矿太阳能电池相较于它的竞争者硅电池，成本低廉、柔韧性好，他们在工业生产方式上还更简单——相较于硅所采用的单晶生长，钙钛矿则可以实现基于溶液方法的制备。王睿相信咖啡因或许能在钙钛矿电池的大规模生产中起到关键作用。咖啡因能帮助钙钛矿实现高结晶性、低缺陷浓度和高稳定性，这在钙钛矿电池大规模生产中非常关键。为了进一步提升太阳能电池的效率和稳定性，该团队下一步计划将更深入地理解钙钛矿和咖啡因之间的相互作用，以确认钙钛矿最好的保护材料。