含咖啡因太阳能电池板

我们大多数人都经历过一杯咖啡或茶带来的“让我振作起来”的感觉。但本周，美国和中国的科学家出人意料地宣布，在太阳能电池板中添加咖啡因可以使它们更好地工作!为了找出原因，凯蒂·海勒把水壶打开，并和剑桥大学太阳能电池板专家保罗·考克森一起看了看结果。

太阳能电池吸收太阳的光。它们通常由介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成。它们是一种特殊的三明治，由不同的材料组成，它们吸收这种材料晶体内部的光，你激发里面的原子，产生这些电荷，这些正的和负的粒子，这就形成了电流。

凯蒂-目前，如果我看一下屋顶上的太阳能电池板，或者我经过一个太阳能农场，有多少进入的光最终被转化为电能?

保罗:嗯，今天你在外面看到的大部分太阳能电池板都是由硅制成的。世界上大约93%的太阳能发电是用硅太阳能电池制造的，所以目前硅太阳能电池的使用限制在20%到23%之间。

凯蒂:那么这个小组做了什么，因为他们没有关注硅，对吗?

保罗-不。他们正在研究一种叫做钙钛矿的新材料，近年来引起了很多关注。这与硅太阳能电池有很大的不同，因为你可以在很低的温度下制造这种材料。它们只是湿的化学物质，你可以把它们混合在一起，形成晶体结构。这种晶体结构非常擅长将光转化为电。他们所做的就是在混合物中加入一些咖啡因，这会影响这些层中晶体的生长。

凯蒂-等等。我坐在这里喝着茶，你喝着咖啡，是什么让他们决定把咖啡因放进太阳能电池里的?

保罗:咖啡因有一种特殊的化学基团，叫做羧基。这是一个碳原子和一个氧原子用两个键相连。将它加入到钙钛矿太阳能电池的化学混合物中，就会以一种特殊的方式使材料钝化或稳定，从而影响太阳能电池层内晶体的生长方式，从而使太阳能电池层更加结晶。它提供了更好的晶体，质量更好的晶体，也就是更大的晶体，这改善了太阳能电池的性能。

凯蒂-那为什么呢?咖啡因到底对这个过程有什么好处呢?

保罗:实际上，这使得种植大量小晶体变得更加困难。所以当你把这些湿的化学物质涂在一起形成一个晶体层时，想象一下，你有很多很多的小晶体在不同的方向生长，当这些小晶体在边界处聚集在一起时，这些地方就会出现缺陷，它们会撞击或减慢电荷在薄膜中的移动。通过添加咖啡因，你让这些随机晶体更难生长，它让晶体在一个优先方向上生长，以一种更有可能的方式生长。这样就得到了更大的晶体所以得到了更均匀的层。所以通过在这一层中有更大的晶体，它改变了电子在这一层中移动的方式，它导致太阳能电池的电压更高，它给了你更高的能量转换效率。所以他们用咖啡因将其提高到20%左右，这对他们来说是一个伟大的成就。

凯蒂:所以说，由于咖啡因对钙钛矿晶体生长的影响，这可能会提高钙钛矿制成的太阳能电池板的效率，这是公平的吗?目前钙钛矿还不是主流，对吗?

保罗-不。它们还很新，所以在这个领域有很多研究。所以，通过这种方式添加咖啡因，你可以影响这些晶体的生长方式，并提高转化效率。但同时，它使这些晶体在高温下更稳定。钙钛矿存在的一个问题是，在加热下，这一层会降解，但他们发现咖啡因影响了这些层中的离子，带电粒子的移动方式，这意味着它们在更高的温度下更稳定。这意味着在现实世界中，它们更稳定，也能持续更长的时间。

凯蒂-我明白为什么在制造太阳能电池板的时候，使用一种会随着热量降解的材料是一个小问题。如果大多数太阳能电池都是由硅制成的，那么用钙钛矿做这些又有什么意义呢?我们能把咖啡因放进硅里让它更有效率吗?

保罗:嗯，你不能把咖啡因放在硅里，但是我们可以把钙钛矿，也许和咖啡因一起，放在硅上面。这意味着我们可以调整钙钛矿的顶层来收集来自太阳的蓝光，红光穿过并被下面的硅吸收。想象一下把钙钛矿放在硅上面。这样就可以捕获更多的太阳能，并更有效地将其转化为电能。