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洛加大台裔教授楊陽發表最新研究成果: 咖啡因可有效提升鈣鈦礦太陽能電池材料熱穩定性

由洛杉磯加州大學(UCLA) 材料科學工程學系教授楊陽(Yang Yang,見圖,UCLA網站)領導的研究團隊發現, 咖啡因可以有效提升鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cells)材料的熱穩定性;此項最新研究成果,4月25日發表於國際著名科學期刊《Joule》。

來自台灣,目前是UCLA 加州奈米系統研究中心(California NanoSystems Institute, CNSI)主要研究學者的楊陽指出,鈣鈦礦太陽能電池技術被視為未來有極大機會取代傳統矽晶太陽能電池,而咖啡或茶葉中含有的化學分子會與鉛形成鍵結,如此有趣的化學作用,則有利於鈣鈦礦太陽能電池運行。

他說,在過去幾年,鈣鈦礦太陽能電池被視為太陽能產業的明日之星,主要原因為其高光電轉換效率與低製造成本。更驚人的事實是,鈣鈦礦電池只發展不到十年的時間,其效率就已經非常接近研究人員花了四十年時間研究的矽晶電池;然而,至今鈣鈦礦電池依然沒有實際商用化,其中一個主要因素為不良的熱穩定性。

楊陽同時表示,太陽能電池必須要有足夠好的熱穩定性, 因為它們一直在接受太陽光照射,不間斷地照射就會使電池溫度升高。雖然鈣鈦礦電池具有極大潛力,但其材料會隨時間增長而更加不穩定。若要取代傳統矽晶電池, 鈣鈦礦電池需要展現長久的穩定時間,至少20年以上的壽命。

對於「鈣鈦礦電池」的取名,楊陽解釋說,並不是因為電池中含有鈣鈦礦, 真正原因是作為電池的吸光材料,其具有「和鈣鈦礦相似的晶體結構」, 它們是由低成本的甲基胺、 鉛跟碘組成的薄膜;也就是因為這一層極薄的吸光材料, 使鈣鈦礦電池具有極高的光電轉換效率。

楊陽說,將咖啡因用來提高鈣鈦礦電池穩定性的靈感,來自於 UCLA研究生王睿(Rui Wang),他 在2018年3月的某一天和同事薛晶晶 (Jingjing Xue)一起喝咖啡突然靈機一動:「咖啡因的沸點大約在攝氏300度, 是遠高於太陽能電池正常的工作溫度, 所以這個想法應該值得一試。」

為了測試這個想法,研究團隊特別製作了由咖啡因、碘化鉛、甲基碘化胺, 以及二甲基甲醯胺組成的溶液,塗布在導電玻璃上, 進而形成黑色的鈣鈦礦薄膜。然後把含有這特製薄膜的太陽能電池,被放在攝氏85度的加熱台上接受考驗,在測試時間長達兩個月後,研究人員發現,加入咖啡因的鈣鈦礦電池能保持其熱穩定性長達1300個小時 (大約55天), 同時保有86%的初始轉換效率。

研究團隊同時測試了無咖啡因的鈣鈦礦電池的對照組,在同樣的測試條件下,175個小時之後(大約七天),發現其轉換效率只剩下原本的60%。

為了探究為什麼咖啡因有如此神奇的功效, 研究團隊利用電子顯微鏡分析鈣鈦礦薄膜的晶體結構, 結果發現咖啡因與碘離子之間有高強度的交互作用 – 稱之為「分子鎖(molecular lock)」。

這項研究的另一位第一作者,UCLA研究生薛晶晶進一步解釋:「部分咖啡因分子會與鉛離子形成強鍵結,幫助穩定鈣鈦礦晶體,同時也能使晶體成長速度慢下來,讓晶體能更整齊的排列著,如此一來便有助於電子傳輸(electric charge transfer)。」

因此,藉由理解咖啡因分子產生的分子鎖效應,研究人員可以進一步探索其他化學分子是否具有相似功能,能幫助鈣鈦礦太陽能電池的熱穩定性。

楊陽說,分子鎖的概念或許可以幫助使鈣鈦礦電池更進一步商用化,咖啡因是他們發現第一個具有此功效的化學分子,但現實世界中,或許還有其他分子能比它更為有效。

楊陽教授團隊已經在鈣鈦礦與其他種類太陽能電池的研究工作投入許多年, 近期的研究成果還包含研發雙層太陽能電池(dual-layer solar cell, 可提供比其他傳統的太陽能電池更高的電力。

此項研究計畫的資助機構包括:空軍科學研究院(Air Force Office of Scientific Research)、海軍研究院(Office of Naval Research)、加州大學先進太陽能技術研究院(University of California Advanced Solar Technologies Institute)等。

 

附加檔案

更新日期 : 2019/04/26