钙钛矿太阳能电池新进展:咖啡的启示

  • 2019年04月29日
  • 原文出处:环球科学
在一篇刚刚发表于《焦耳》的论文中,来自美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院与锦州阳光能源公司的研究团队,意外地从咖啡中找到了提升钙钛矿太阳能电池效率的方法。

在一篇刚刚发表于《焦耳》的论文中,来自美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院与锦州阳光能源公司的研究团队,意外地从咖啡中找到了提升钙钛矿太阳能电池效率的方法。

我们知道,氧原子的最外层的电子一共有6个。组成碳氧双键后还有4个电子没有配对,咖啡因氧原子内的未配对电子可以与钙钛矿中的铅离子相结合形成分子锁。

我们知道,氧原子的最外层的电子一共有6个。组成碳氧双键后还有4个电子没有配对,咖啡因氧原子内的未配对电子可以与钙钛矿中的铅离子相结合形成分子锁。

钙钛矿结构示意图

钙钛矿结构示意图

在进一步的透射电子显微镜测试中,这种“喝了咖啡”的钙钛矿材料被电子束加热时,分子锁还是保持稳定。

在进一步的透射电子显微镜测试中,这种“喝了咖啡”的钙钛矿材料被电子束加热时,分子锁还是保持稳定。

近年来,钙钛矿太阳能电池产业开始崛起,因为单晶硅与多晶硅的太阳能电池在提炼过程中需要消耗大量的电力,制造成本较高,而钙钛矿太阳能具有与单晶硅接近的光电转换效率、但其制备工艺相对简单,成本也较为低廉,所以钙钛矿太阳能电池受到了全球学术界和产业界的广泛关注,发展迅速。

在一篇刚刚发表于《焦耳》的论文中,来自美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院与锦州阳光能源公司的研究团队,意外地从咖啡中找到了提升钙钛矿太阳能电池效率的方法。该论文的通讯作者是加州大学洛杉矶分校的杨阳教授,他领导的研究小组观察到咖啡因中氧原子与钙钛矿材料中铅离子的相互作用,能显著提升钙钛矿太阳能电池的热稳定性、将太阳能电池的效率从17%提高到20%,这使得钙钛矿太阳能电池取代晶硅电池的可能性变得更大。

咖啡因与钙钛矿

人类可以在咖啡与茶中找到大量的咖啡因。咖啡因的学名是1,3,7-三甲基黄嘌呤,从分子结构图上可以看出它含有三个甲基。在杨阳教授领导的研究中,起到关键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。这些氧原子与碳原子构成了碳氧双键。

我们知道,氧原子的最外层的电子一共有6个。组成碳氧双键后还有4个电子没有配对,咖啡因氧原子内的未配对电子可以与钙钛矿中的铅离子相结合形成分子锁。

钙钛矿是此次研究中的另一个主角。值得注意的是,这次实验中使用的钙钛矿里并没有钙,也没有钛。钙钛矿(Perovskite)材料是以俄国的矿物学家列维.佩罗夫斯基(Lev Perovski)的名字命名。最早被发现的钙钛矿材料是钙与钛的复合氧化物。不过了到后来,钙钛矿的概念有了很大的延展,它已经不特指钙钛复合氧化物,而用来泛指一系列具有ABX3化学式的化合物,在这里A可以是甲氨基等有机分子基团,而B可以是铅原子(也可以是锡原子),X则一般含有卤素原子。(钙钛矿结构示意图)

在太阳能电池领域,一般使用的是有机无机复合的钙钛矿。钙钛矿一般是作为太阳能电池的吸收层来使用,在接受太阳光的照射以后,钙钛矿吸收了光子以后会产生电子-空穴对。电子带负电,而空穴可以看成是带正电。这些电子-空穴对分道扬镳成为太阳能电池中的载流子分别流向正负极,这样就形成了光电流。所以,太阳能电池的物理原理,其实依然是爱因斯坦提出的光电效应。

钙钛矿太阳能电池现状

太阳上每时每刻都在进行着核反应,核反应产生的太阳光照射在地球上,在每平方米的地面上带来1000瓦特的太阳辐射功率。在地球上可以直接利用这些太阳光的能量来发电,这造就了太阳能电池这个行业。太阳能电池一般是由很多层材料堆积起来的,其中起到光吸收作用的层叫做吸收层。

太阳能电池也按照吸收层的材料特性来命名,比如晶体硅太阳能电池的吸收层就是单晶硅或者多晶硅;薄膜太阳能电池的吸收层一般是厚度几个微米的薄膜材料;而钙钛矿太阳能电池的吸收层就是钙钛矿。单晶硅的光电转换效率的世界纪录是26%,而钙钛矿的光电转换效率的世界纪录是24%左右,两者差别不大。但钙钛矿有着特有的优点。钙钛矿材料天生就有很好的光电特性:相比于间接带隙的单晶硅,它是直接带隙,所以钙钛矿的荧光效率特别高, 可惜的是,目前能实现的钙钛矿电池面积都很小,而单晶硅的面积则很大。所以从光电转换效率两说,两者在伯仲之间;但从面积来说,单晶硅还是领先于钙钛矿的。钙钛矿太阳能电池的另一个缺点在于,它的稳定性还不够好。如果能提升钙钛矿的稳定性、将其寿命提到20年,那么钙钛矿是很有可能取代单晶硅的。

喝咖啡产生的灵感

杨阳在接受《环球科学》采访时表示:“我相信在不久的将来,也许在两三内年,钙钛矿应该会追过单晶硅。现在主要的问题是钙钛矿电池的面积放大之后,它的光电转换效率会往下跌。我们把学术界的产品拿到工业界做大之后,有时候也许不像理想中的那么好。所以这个是学术界跟工业界的一个差异。”

杨阳教授的研究组一直在从事钙钛矿太阳能电池的研究。杨阳对“能产生电”或者“与光有关”的材料一直有很大的兴趣,部分原因在于他博士刚毕业的时候在美国科学家艾伦·黑格(A. Heeger) 教授的公司里工作。杨阳跟随艾伦·黑格工作了四年多,刚开始主要做导电高分子材料,后来又开始做高分子OLED,这是有机 LED 的另外一个分支。有机 LED 后来产业化成功,做成了 OLED 面板,在智能手机上有很多应用。而艾伦·黑格因在导电聚合物领域的开创性贡献,成为2000年的诺贝尔化学奖得主。

一天早上,杨阳研究组里的两个博士生,边喝咖啡边讨论钙钛矿研究。王睿说:“我们人需要咖啡来提神,那么钙钛矿呢?也许它们也需要咖啡才能表现得更好?”

王睿不经意的一句话让薛晶晶联想到咖啡因是一种常见的生物碱,它里面的未成对电子可以与钙钛矿材料中的铅离子相互作用。咖啡因分子上的羰基基团可以和钙钛矿的铅离子形成一个分子锁。这可以提高钙钛矿分解所需要的能量势垒,从而让钙钛矿稳定下来。同时,这样的分子锁可以降低钙钛矿晶体的成核速度,得到更高质量的钙钛矿多晶薄膜,且可以使钙钛矿的晶粒更具有取向性,从而提高载流子的传输效率,这就可以提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

提高输出功率

杨阳研究小组用加热的方法将咖啡因添加到40个太阳能电池的钙钛矿层中,并使用红外吸收光谱来确定咖啡因是否成功地与钙钛矿结合了。他们发现了咖啡因在与钙钛矿结合后,咖啡因中的羰基的特征峰发生了移动,这意味着咖啡因已经成功与钙钛矿结合了。 

在进一步的透射电子显微镜测试中,这种“喝了咖啡”的钙钛矿材料被电子束加热时,分子锁还是保持稳定。杨阳说:“随后,我们把这种喝了咖啡的钙钛矿做成太阳能电池,发现其输出功率——也就是电流与电压的乘积提高了大约20%”。因此,这是一项重要的进展,这说明咖啡因可以帮助钙钛矿获得高结晶度、低缺陷和良好的稳定性。这也意味着它可能在钙钛矿太阳能电池的产业化中发挥巨大作用。不过,由于其作用机理是咖啡因与钙钛矿里的铅离子产生了相互作用,这一过程不适用于单晶硅太阳能电池。

现在看来,无论未来的产业化道路怎么样。在2019年,由中国人发现的爱喝咖啡的太阳能电池,至少可以与2011年日本人发现的爱喝酒的高温超导体相媲美。

 本文摘自《环球科学》

(责任编辑:Xin Yin)

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