UCLA杨阳：我们给太阳能电池“喝咖啡”丨CellPress对话科学家

清晨来杯咖啡，可以提神醒脑。那如果给太阳能电池“喝咖啡”呢？

最初，这只不过是加州大学洛杉矶分校（UCLA）杨阳教授团队的博士生们，在清晨喝咖啡时的一个玩笑。而如今，这篇关于“咖啡因助力新型太阳能电池提高光电转换效率”的论文，已于4月25日在Cell Press细胞出版社旗下能源旗舰期刊Joule（《焦耳》）上正式发表。这项研究成果为这种低成本的可再生能源技术与传统硅太阳能电池技术进行市场竞争提供了可能。

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这项研究是由UCLA材料科学与工程学院杨阳教授所领导的团队完成的。而想法的灵感确实来源于早晨喝咖啡时的玩笑。据杨阳教授课题组的博士研究生薛晶晶回忆：“有一天，当我们喝着咖啡讨论钙钛矿太阳能电池的相关研究时，我的同事王睿开玩笑说：‘我们需要咖啡来提神，那钙钛矿呢？它是不是也需要喝咖啡才能更好地工作？’”

这个随口一提的想法让这个团队意识到到咖啡中的咖啡因其实是一种生物碱，它的分子结构中存在可能和钙钛矿前驱液材料相作用的单元。所谓钙钛矿是一种具有特殊晶体结构的新型太阳能电池吸光材料。在钙钛矿材料中引入二甲基亚砜是常见的一种提升钙钛矿材料热稳定性的方法，但进一步提高该类太阳能电池的效率和长期稳定性对科研工作者来说依然是个巨大的挑战。目前还没有人尝试过使用咖啡因。

在发现这背后的意义后，他们着手开始更进一步的研究。研究人员制备了40片混合了咖啡因的钙钛矿薄膜，并借助红外光谱（一种通过红外辐射检测化学物质的技术）证明了咖啡因和这种材料之间的相互作用。

在进行了更细致的测试之后，他们发现咖啡因中的羰基（氧原子以双键的形式与碳原子连接）和钙钛矿层中的铅离子形成了一种“分子锁”。这种相互作用提高了钙钛矿形成时所需克服的能量势垒，把太阳能电池的效率从17%提升到了20%。当材料被加热时，这个分子锁的作用依然存在，保护了材料使其不会因为受热而分解。

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。他们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。

为探究这个看似“脑洞大开”的研究背后的故事，Cell Press邀请杨阳教授接受了专访。

作者专访

Cell Press：“用咖啡为太阳能电池提升能量”，我们了解到这个脑洞大开的想法最初源于您实验室几位同事的一次闲谈。是什么促使您将这个看似玩笑的灵感，移植到现实的研究，最终还取得成果了呢？

杨阳教授：尽管这个故事听起来有一点不可置信，但是我们的团队已经有六七年钙钛矿的研究经历了，也被Thomson Reuters认可为世界上最重要十个钙钛矿研究小组之一。以往积累的经验告诉了我们，究竟什么样的化学结构会和钙钛矿相互作用，进而提高其转换效率和长期稳定性。所以当我们看到咖啡因结构式的一瞬间，就预料到这个材料会有一定效果，只是我们不知道效果多好。

有趣的是，与此同时，实验室的另一个成员根据我们之前的经验设计了另一个分子，这个分子的结构和咖啡因很类似，也预计会提高钙钛矿电池的表现。因此，即使一开始我们没有这么好的运气，但是我相信最终还会找到（类似）咖啡因的分子的。

科研之美就在于这种“上穷碧落下黄泉，灵感突然得来全不费工夫”的无可言喻的感觉。这一瞬间的灵感爆发，是科研人员多少功夫的积累。灵感爆发的另外一个重要因素是我们研究课题组的一个优良传统，就是大家很愿意讨论，分享想法，脑力激荡，如此一来新的想法源源不断。

Cell Press：在此前接受Cell Press采访时您也提到，研究人员一直在努力提高电池的效率和长期稳定性。能否介绍一下主要尝试过的方法有哪些？而添加咖啡因对比其他方式有何优势？

杨阳教授：我们曾经也引入过能与钙钛矿前驱液相互作用的小分子（如尿素和N-甲基吡咯烷酮），来调控钙钛矿晶体成核生长的动力学。这些小分子对于提高所制备的钙钛矿薄膜的质量有着一定的帮助，所以对转换效率有一定程度的提升。但这些小分子本质上都是易挥发的，无法长期保留在钙钛矿内与其相互作用，所以不利于长期稳定性，尤其是热稳定性。而咖啡因不仅具有与这些小分子相似的功能，而且具有较高的耐热性质，且能在钙钛矿薄膜退火后留存在膜内与钙钛矿晶体相互作用，提高了钙钛矿热分解的势垒。

Cell Press：我们都知道咖啡很”贵”，用咖啡因提升钙钛矿电池效率，会不会存在成本太高的问题？

杨阳教授：实际上咖啡因本身的价格并不是很贵，从美国的一家主流化学品供应商（Sigma-Aldrich）的报价来看为每公斤人民币300元，而如果以目前一片商业化太阳能电池片的大小计算（125mm*125mm），我们需要使用的咖啡因含量不超过10毫克，因此引入咖啡因所带来的的成本增加可以忽略不计，但是却可以提高近20%的光电转换效率，我们觉得这个买卖是划算的。

Cell Press：请介绍一下您团队在这方面今后的研究方向。您预计含有咖啡因的钙钛矿电池投入实际商业应用还需多久？还要攻克哪些难题？

杨阳教授：我们团队接下来将会致力于发展大面积生产，封装以及叠层太阳能电池去进一步提高转换效率，来推进钙钛矿的商业化进程。我们坚信，通过我们以及世界上同僚们的共同努力，钙钛矿电池会在短期内商业化。我们也欢迎工业界，和我们一起研究发展。

关于 杨阳教授

杨阳（Yang Yang）教授是加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学与工程学院教授，UCLA纳米可再生能源中心、加利福尼亚纳米系统研究所主任。长期开展有机电子学、有机/无机界面工程以及太阳能电池和发光二极管等光电子器件的研究，在半导体材料与器件方面有着几十年的研究经验。同时，杨阳教授还是美国物理学会会士（APS），美国材料研究学会会士（MRS），英国皇家化学学会（FRSC）会士，美国电磁学学院院会士及SPIE会士。2016年被评选为Thomason Reuters“世界上最具影响力的科学家”（全球只有19位科学家入选），2018年同时在材料、化学、物理三个学科被Thomason Reuters选为高被引科学家，全球只有23位科学家获此殊荣。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊能源旗舰期刊Joule上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Caffeine Improves the Performance and Thermal Stability of PerovskiteSolar Cells

论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30173-4

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.04.005

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