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編者按：錦州陽光能源公司與美國加州大學(xué)鈣鈦礦研究團(tuán)隊(duì)新發(fā)現(xiàn)，從咖啡中找到了提升鈣鈦礦太陽能電池效率的方法。 

近年來，鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)開始崛起，因?yàn)閱尉Ч枧c多晶硅的太陽能電池在提煉過程中需要消耗大量的電力，制造成本較高，而鈣鈦礦太陽能具有與單晶硅接近的光電轉(zhuǎn)換效率、但其制備工藝相對簡單，成本也較為低廉，所以鈣鈦礦太陽能電池受到了全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，發(fā)展迅速。

在一篇?jiǎng)倓偘l(fā)表于《焦耳》的論文中，來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程學(xué)院與錦州陽光能源公司的研究團(tuán)隊(duì)，意外地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(xué)洛杉磯分校的楊陽教授，他領(lǐng)導(dǎo)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、將太陽能電池的效率從17%提高到20%，這使得鈣鈦礦太陽能電池取代晶硅電池的可能性變得更大。

咖啡因與鈣鈦礦

人類可以在咖啡與茶中找到大量的咖啡因。咖啡因的學(xué)名是1,3,7-三甲基黃嘌呤，從分子結(jié)構(gòu)圖上可以看出它含有三個(gè)甲基。在楊陽教授領(lǐng)導(dǎo)的研究中，起到關(guān)鍵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。這些氧原子與碳原子構(gòu)成了碳氧雙鍵。

我們知道，氧原子的最外層的電子一共有6個(gè)。組成碳氧雙鍵后還有4個(gè)電子沒有配對，咖啡因氧原子內(nèi)的未配對電子可以與鈣鈦礦中的鉛離子相結(jié)合形成分子鎖。

鈣鈦礦是此次研究中的另一個(gè)主角。值得注意的是，這次實(shí)驗(yàn)中使用的鈣鈦礦里并沒有鈣，也沒有鈦。鈣鈦礦（Perovskite）材料是以俄國的礦物學(xué)家列維.佩羅夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。最早被發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦材料是鈣與鈦的復(fù)合氧化物。不過了到后來，鈣鈦礦的概念有了很大的延展，它已經(jīng)不特指鈣鈦復(fù)合氧化物，而用來泛指一系列具有ABX3化學(xué)式的化合物，在這里A可以是甲氨基等有機(jī)分子基團(tuán)，而B可以是鉛原子（也可以是錫原子），X則一般含有鹵素原子。（鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖）

在太陽能電池領(lǐng)域，一般使用的是有機(jī)無機(jī)復(fù)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(huì)產(chǎn)生電子-空穴對。電子帶負(fù)電，而空穴可以看成是帶正電。這些電子-空穴對分道揚(yáng)鑣成為太陽能電池中的載流子分別流向正負(fù)極，這樣就形成了光電流。所以，太陽能電池的物理原理，其實(shí)依然是愛因斯坦提出的光電效應(yīng)。

鈣鈦礦太陽能電池現(xiàn)狀

太陽上每時(shí)每刻都在進(jìn)行著核反應(yīng)，核反應(yīng)產(chǎn)生的太陽光照射在地球上，在每平方米的地面上帶來1000瓦特的太陽輻射功率。在地球上可以直接利用這些太陽光的能量來發(fā)電，這造就了太陽能電池這個(gè)行業(yè)。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(gè)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。單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄是26%，而鈣鈦礦的光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄是24%左右，兩者差別不大。但鈣鈦礦有著特有的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)的鈣鈦礦電池面積都很小，而單晶硅的面積則很大。所以從光電轉(zhuǎn)換效率兩說，兩者在伯仲之間；但從面積來說，單晶硅還是領(lǐng)先于鈣鈦礦的。鈣鈦礦太陽能電池的另一個(gè)缺點(diǎn)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。

喝咖啡產(chǎn)生的靈感

楊陽在接受《環(huán)球科學(xué)》采訪時(shí)表示：“我相信在不久的將來，也許在兩三內(nèi)年，鈣鈦礦應(yīng)該會(huì)追過單晶硅?，F(xiàn)在主要的問題是鈣鈦礦電池的面積放大之后，它的光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)往下跌。我們把學(xué)術(shù)界的產(chǎn)品拿到工業(yè)界做大之后，有時(shí)候也許不像理想中的那么好。所以這個(gè)是學(xué)術(shù)界跟工業(yè)界的一個(gè)差異。”

楊陽教授的研究組一直在從事鈣鈦礦太陽能電池的研究。楊陽對“能產(chǎn)生電”或者“與光有關(guān)”的材料一直有很大的興趣，部分原因在于他博士剛畢業(yè)的時(shí)候在美國科學(xué)家艾倫·黑格（A. Heeger） 教授的公司里工作。楊陽跟隨艾倫·黑格工作了四年多，剛開始主要做導(dǎo)電高分子材料，后來又開始做高分子OLED，這是有機(jī) LED 的另外一個(gè)分支。有機(jī) LED 后來產(chǎn)業(yè)化成功，做成了 OLED 面板，在智能手機(jī)上有很多應(yīng)用。而艾倫·黑格因在導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，成為2000年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主。

一天早上，楊陽研究組里的兩個(gè)博士生，邊喝咖啡邊討論鈣鈦礦研究。王睿說：“我們?nèi)诵枰Х葋硖嵘?，那么鈣鈦礦呢？也許它們也需要咖啡才能表現(xiàn)得更好？”

王睿不經(jīng)意的一句話讓薛晶晶聯(lián)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(tuán)可以和鈣鈦礦的鉛離子形成一個(gè)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(shí)，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(zhì)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(zhuǎn)換效率。

提高輸出功率

楊陽研究小組用加熱的方法將咖啡因添加到40個(gè)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(jié)合了。他們發(fā)現(xiàn)了咖啡因在與鈣鈦礦結(jié)合后，咖啡因中的羰基的特征峰發(fā)生了移動(dòng)，這意味著咖啡因已經(jīng)成功與鈣鈦礦結(jié)合了。

在進(jìn)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(shí)，分子鎖還是保持穩(wěn)定。楊陽說：“隨后，我們把這種喝了咖啡的鈣鈦礦做成太陽能電池，發(fā)現(xiàn)其輸出功率——也就是電流與電壓的乘積提高了大約20%”。因此，這是一項(xiàng)重要的進(jìn)展，這說明咖啡因可以幫助鈣鈦礦獲得高結(jié)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(chǎn)業(yè)化中發(fā)揮巨大作用。不過，由于其作用機(jī)理是咖啡因與鈣鈦礦里的鉛離子產(chǎn)生了相互作用，這一過程不適用于單晶硅太陽能電池。

現(xiàn)在看來，無論未來的產(chǎn)業(yè)化道路怎么樣。在2019年，由中國人發(fā)現(xiàn)的愛喝咖啡的太陽能電池，至少可以與2011年日本人發(fā)現(xiàn)的愛喝酒的高溫超導(dǎo)體相媲美。

原標(biāo)題：錦州陽光能源與美國加州大學(xué)鈣鈦礦團(tuán)隊(duì)技術(shù)取得新進(jìn)展