science >> Wetenschap >  >> Elektronica

Cafeïne geeft zonnecellen een energieboost

De zonnecellen verbeterden de onderzoekers met cafeïne. Krediet:Rui Wang en Jingjing Xue

Wetenschappers van de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA) en Solargiga Energy in China hebben ontdekt dat cafeïne kan helpen om een ​​veelbelovend alternatief voor traditionele zonnecellen efficiënter om te zetten in licht in elektriciteit. Hun onderzoek, gepubliceerd op 25 april in het tijdschrift Joule , kan deze kosteneffectieve technologie voor hernieuwbare energie mogelijk maken om op de markt te concurreren met siliciumzonnecellen.

Het idee begon als een grap tijdens de koffie in de ochtend. "Op een dag, terwijl we perovskiet-zonnecellen bespraken, onze collega Rui Wang zei:'Als we koffie nodig hebben om onze energie een boost te geven, hoe zit het dan met perovskieten? Zouden ze koffie nodig hebben om beter te presteren?'", herinnert Jingjing Xue zich, een doctoraat kandidaat in de onderzoeksgroep van professor Yang Yang bij de afdeling Materials Science and Engineering aan de UCLA.

De nonchalante opmerking bracht het team ertoe te herinneren dat de cafeïne in koffie een alkaloïde verbinding is die moleculaire structuren bevat die kunnen interageren met de voorlopers van perovskietmaterialen - verbindingen met een bepaalde kristalstructuur die de lichtoogstlaag vormen in een klasse van zonnecellen. Eerdere pogingen om de thermische stabiliteit van deze zonnecellen te verbeteren, omvatten het verbeteren van de perovskietlaag door het introduceren van verbindingen zoals dimethylsulfoxide, maar onderzoekers hebben moeite gehad om de efficiëntie van de cellen en de stabiliteit op lange termijn te vergroten. Niemand had cafeïne geprobeerd.

Beseffend dat ze misschien iets op het spoor zijn, het team zette hun koffie opzij en begon verder te onderzoeken. Ze voegden cafeïne toe aan de perovskietlaag van veertig zonnecellen en gebruikten infraroodspectroscopie (die infraroodstraling gebruikt om chemische verbindingen te identificeren) om te bepalen of de cafeïne zich met succes aan het materiaal had gehecht.

De zonnecellen verbeterden de onderzoekers met cafeïne. Krediet:Rui Wang en Jingjing Xue

Het uitvoeren van verdere infraroodspectroscopietests, ze merkten op dat de carbonylgroepen (een koolstofatoom dubbel gebonden aan een zuurstof) in cafeïne een interactie aangingen met loodionen in de laag om een ​​"moleculair slot" te creëren. Deze interactie verhoogde de minimale hoeveelheid energie die nodig is om de perovskietfilm te laten reageren, het verhogen van de zonnecel efficiëntie van 17 procent tot meer dan 20 procent. De moleculaire vergrendeling bleef optreden wanneer het materiaal werd verwarmd, die kunnen helpen voorkomen dat warmte de laag afbreekt.

"We waren verrast door de resultaten, " zegt Wang, die ook een Ph.D. kandidaat in de onderzoeksgroep van Yang aan de UCLA. "Tijdens onze eerste poging om cafeïne toe te voegen, onze perovskiet-zonnecellen bereikten al bijna de hoogste efficiëntie die we in de krant hebben bereikt."

Maar hoewel cafeïne de prestaties van cellen die perovskiet gebruiken om zonlicht te absorberen, aanzienlijk lijkt te verbeteren, de onderzoekers denken niet dat het nuttig zal zijn voor andere soorten zonnecellen. Door de unieke moleculaire structuur van cafeïne kan het alleen interageren met voorlopers van perovskiet, die deze zonnecelvariant een voorsprong op de markt kunnen geven. Perovskiet-zonnecellen hebben nu al het voordeel dat ze goedkoper en flexibeler zijn dan hun siliciumtegenhangers. Ze zijn ook gemakkelijker te vervaardigen - perovskietcellen kunnen worden vervaardigd uit op oplossingen gebaseerde voorlopers in tegenstelling tot vaste kristalblokken. Met verder onderzoek, Wang gelooft dat cafeïne de grootschalige productie van perovskiet-zonnecellen kan vergemakkelijken.

"Cafeïne kan de perovskiet helpen een hoge kristalliniteit te bereiken, lage gebreken, en goede stabiliteit, " zegt hij. "Dit betekent dat het mogelijk een rol kan spelen in de schaalbare productie van perovskiet-zonnecellen."

Om de efficiëntie en stabiliteit van de zonnecellen te blijven verbeteren, het team is vervolgens van plan om de chemische structuur van het in cafeïne verwerkte perovskietmateriaal verder te onderzoeken en de beste beschermende materialen voor perovskiet te identificeren.