Forskare från University of California, Los Angeles (UCLA) och Solargiga Energy i Kina har upptäckt att koffein kan bidra till att göra ett lovande alternativ till traditionella solceller mer effektivt för att omvandla ljus till elektricitet. Deras forskning, publicerad 25 april i tidskriften Joule , kan göra det möjligt för denna kostnadseffektiva förnybara energiteknik att konkurrera på marknaden med kiselsolceller.

Idén började som ett skämt över morgonkaffet. "En dag, när vi diskuterade perovskitsolceller, vår kollega Rui Wang sa, 'Om vi ​​behöver kaffe för att öka vår energi, hur är det då med perovskiter? Skulle de behöva kaffe för att prestera bättre?'" minns Jingjing Xue, en Ph.D. kandidat i professor Yang Yangs forskargrupp vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid UCLA.

Den direkta kommentaren fick teamet att minnas att koffeinet i kaffe är en alkaloidförening som innehåller molekylära strukturer som kan interagera med prekursorerna till perovskitmaterial - föreningar med en speciell kristallstruktur som bildar det ljusupptagande lagret i en klass av solceller. Tidigare försök att förbättra den termiska stabiliteten hos dessa solceller har inkluderat att förbättra perovskitskiktet genom att introducera föreningar som dimetylsulfoxid, men forskare har kämpat för att öka cellernas effektivitet och långsiktiga stabilitet. Ingen hade provat koffein.

Att inse att de kanske är inne på något, teamet lade undan sitt kaffe och började undersöka vidare. De tillsatte koffein till perovskitskiktet av fyrtio solceller och använde infraröd spektroskopi (som använder infraröd strålning för att identifiera kemiska föreningar) för att fastställa att koffeinet framgångsrikt hade bundit sig till materialet.

Genomför ytterligare infraröda spektroskopi-tester, de observerade att karbonylgrupperna (en kolatom dubbelbunden till ett syre) i koffein interagerade med blyjoner i lagret för att skapa en "molekylär låsning". Denna interaktion ökade den minsta mängd energi som krävs för att perovskitfilmen ska reagera, öka solcellseffektiviteten från 17 procent till över 20 procent. Den molekylära låsningen fortsatte att uppstå när materialet värmdes upp, vilket kan hjälpa till att förhindra värme från att bryta ner lagret.

"Vi blev förvånade över resultaten, säger Wang, som också är Ph.D. kandidat i Yangs forskargrupp vid UCLA. "Under vårt första försök med koffein, våra perovskitsolceller nådde redan nästan den högsta effektiviteten vi uppnådde i tidningen."

Men medan koffein verkar avsevärt förbättra prestandan hos celler som använder perovskit för att absorbera solljus, forskarna tror inte att det kommer att vara användbart för andra typer av solceller. Den unika molekylära strukturen hos koffein tillåter endast att det interagerar med perovskitprekursorer, vilket kan ge denna solcellsvariant ett försprång på marknaden. Perovskite solceller har redan fördelen av att vara billigare och mer flexibla än sina motsvarigheter i kisel. De är också lättare att tillverka - perovskitceller kan tillverkas av lösningsbaserade prekursorer i motsats till fasta kristallgöt. Med ytterligare forskning, Wang tror att koffein kan underlätta storskalig produktion av perovskitsolceller.

"Koffein kan hjälpa perovskiten att uppnå hög kristallinitet, låga defekter, och bra stabilitet, " säger han. "Detta betyder att det potentiellt kan spela en roll i den skalbara produktionen av perovskitsolceller."

För att fortsätta förbättra solcellernas effektivitet och stabilitet, teamet planerar därefter att ytterligare undersöka den kemiska strukturen hos det koffeininkorporerade perovskitmaterialet och att identifiera de bästa skyddsmaterialen för perovskiter.