Koffein får solceller til å montere

Wachacher-molekyl forbedrer effektiviteten og holdbarheten til perovskite solceller

Denne perovskite solcellen inneholder koffein - noe som gjør den kraftigere og mer varmestabil. © Rui Wang og Jingjing Xue
lese høyt

Wachacher "halliker" solceller: Tilsetning av koffein kan gjøre perovskitt tynnfilms solceller mer holdbare og effektive. Hvis en prosent koffein tilsettes perovskitten i produksjonen av de tynne filmene, forbedrer dette krystallstrukturen og den elektrokjemiske oppførselen, som eksperimenter viser. Koffein-solcellene oppnår dermed en effektivitet på over 20 prosent og holder seg stabile selv ved 85 grader.

Solceller laget av perovskitt anses å være en lovende energikilde for fremtiden. Fordi de allerede oppnår lignende effektivitet som silisiumceller, men er billigere og enklere å produsere. Fordi de krystallinske tynne filmene av dette mineralet kan produseres ved fordampning eller avsetting fra oppløsningen. Problemet er imidlertid at perovskitt er relativt ustabil og brytes raskt ned under påvirkning av varme, fuktighet eller for mye UV-lys.

Koffeinmolekylet bærer to karboksylgrupper som det interagerer med perovskitten. © Yoshi231 / CC-by-sa 4.0

Ide kom mens jeg drakk kaffe

"En enkel, kostnadseffektiv og universelt anvendbar strategi som reduserer den iboende termiske ustabiliteten til perovskite solceller er derfor øyeblikkelig nødvendig, " sier Rui Wang fra University of California i Los Angeles og hans kolleger. De fleste tidligere tilnærminger prøver å oppnå dette gjennom spesielle belegg eller cellearkitekturer.

Men Wang og teamet hans har nå funnet en annen, ved første øyekast, uvanlig løsning. Ideen kom dem spontant - å drikke kaffe, som Wangs kollega Jingjing Hue forklarer: "En dag, da vi diskuterte de perovskittiske solcellene, sa Rui Wang: 'Når vi drikker kaffe for å øke energien vår - hvorfor ikke perovskittene ? Kunne du kanskje løpt bedre med koffein? "

Koffein forbedrer krystallstrukturen

Det som høres bisart ut er på ingen måte avvikende fra et kjemisk synspunkt. Dette er fordi koffeinmolekylet bærer to karboksylgrupper - oksygenatomer knyttet til karbon ved dobbeltbindinger. Slike grupper er kjent for å kunne samhandle med perovskitt og derved ha positive effekter. Teoretisk sett kunne dette derfor gjelde koffein men foreløpig hadde ingen prøvd det. Wang og teamet hans har gjort opp for det. utstilling

Når de laget perovskittlaget, la de en til to vektprosent koffein til startløsningen. Deretter utsatte de den ferdige tynnfilmen for forskjellige spektroskopiske og mikroskopiske analyser. Og faktisk hadde koffeintilskuddet en positiv effekt. Perovskittkrystallene var større og mer ordnet. "Innblanding av koffein fremmet veksten av perovskittekorn i lagplanet, noe som kan forbedre ladetransporten, " rapporterer forskerne.

Høyere effektivitet og varmestabilitet

Men ville denne optimaliserte krystallstrukturen gjort de ferdige solcellene mer stabile og kraftige? For å gjøre dette kombinerte forskerne den tynne perovskittfilmen med indiumtinnoksyd (ITO) og andre komponenter i solcelleceller og testet deres ytelse og stabilitet mot varme.

Resultatet: Tilsetning av koffein reduserer ikke ytelsen til solcellene tvert imot. I testen var koffeincellers effektivitet 20, 25 prosent, det var mer enn i sammenligningceller uten koffein og omtrent det samme som i konvensjonelle solisiumsolceller, som forskerne rapporterer. "Vi ble overrasket over disse resultatene selv, " sier Wang.

Og varmestabiliteten forbedret seg også målbart: koffein-solcellen beholdt 86 prosent av sin effektivitet selv etter 1.300 timer ved 85 grader Celsius, som tester har vist. Derimot viste kontrollceller uten koffein allerede et resultatfall etter bare 175 timer til bare 60 prosent. Forskerne tilskriver denne effekten den stabiliserende effekten av de perovskittbundne karboksylgruppene koffein. "Samspillet med C = O av koffein fungerer som en molekylær lås som forhindrer termisk indusert nedbrytning, " forklarer de.

Gode ​​fremtidsutsikter

Ifølge forskerne kan tilsetning av koffein bidra til å gjøre perovskitt solceller omsettelige. "Koffein kan bidra til at perovskitten har høy krystallinitet, få defekter og god stabilitet, " sier Wang. I tillegg letter koffeintilsetningsstoffet produksjonen av perovskittfilmer. "Dette betyr at koffein også kan være til stor hjelp i produksjonen av perovskite solceller i stor skala, " sa forskeren. (Joule, 2019; doi: 10.1016 / j.joule.2019.04.005)

Kilde: Cell Press

- Nadja Podbregar