近年來，鈣(gai)鈦(tai)礦太(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)產業開始崛起，因為單晶(jing)硅(gui)與(yu)多晶(jing)硅(gui)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)在提(ti)煉過程中需要消耗大量的(de)電力，制(zhi)造成本較(jiao)(jiao)高，而鈣(gai)鈦(tai)礦太(tai)陽(yang)能(neng)具有與(yu)單晶(jing)硅(gui)接近的(de)光(guang)電轉換(huan)效率、但(dan)其制(zhi)備(bei)工藝相對簡單，成本也(ye)較(jiao)(jiao)為低廉，所以鈣(gai)鈦(tai)礦太(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)受(shou)到了全球(qiu)學術界(jie)和產業界(jie)的(de)廣(guang)泛關注，發展迅速。
在一篇剛剛發表于《焦耳》的論文中，來自美國加州大學洛杉磯分校材料科學與工程學院與錦州陽光能源公司的研究團隊，意外地從咖啡中找到了提升(sheng)鈣鈦礦(kuang)太(tai)陽能電池效率的方法。該(gai)論文(wen)的(de)通訊作(zuo)者是加州大學洛杉磯分(fen)校的(de)楊陽(yang)教授(shou)，他領導(dao)的(de)研究小組觀察到咖啡因中氧原子與鈣(gai)鈦礦(kuang)材料中鉛(qian)離子的(de)相互作(zuo)用，能顯著提(ti)升(sheng)鈣(gai)鈦礦(kuang)太陽(yang)能電(dian)池(chi)(chi)的(de)熱(re)穩定性(xing)(xing)、將太陽(yang)能電(dian)池(chi)(chi)的(de)效率從17%提(ti)高(gao)到20%，這使得鈣(gai)鈦礦(kuang)太陽(yang)能電(dian)池(chi)(chi)取代晶硅電(dian)池(chi)(chi)的(de)可能性(xing)(xing)變(bian)得更大。
人類可以在咖啡與茶中找到大量的咖啡因。咖啡因的學名是1,3,7-三甲基黃嘌呤，從分子結構圖上可以看出它含有三個甲基。在楊陽教授領導的研究中，起到關鍵作用的不是咖啡因分子中的甲基，而是咖啡因分子中的氧原子。這些氧原子(zi)與碳原子(zi)構成了碳氧雙鍵。
我們知道，氧(yang)原子的(de)(de)最外層的(de)(de)電(dian)子一共(gong)有(you)6個。組成(cheng)碳(tan)氧(yang)雙鍵后還(huan)有(you)4個電(dian)子沒(mei)有(you)配(pei)(pei)對，咖(ka)啡因氧(yang)原子內的(de)(de)未(wei)配(pei)(pei)對電(dian)子可以與鈣鈦礦中的(de)(de)鉛(qian)離子相結合形成(cheng)分子鎖。
鈣鈦礦是此次研究中的另一個主角。值得注意的是，這次實驗中使用的鈣鈦礦里并沒有鈣，也沒有鈦。鈣鈦礦（Perovskite）材料是以俄國的礦物學家列維.佩羅夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。最早被發現的鈣鈦礦材料是鈣與鈦的復合氧化物。不過了到后來，鈣鈦礦的概念有了很大的延展，它已經不特指鈣鈦復合氧化物，而用來泛指一系列具(ju)有ABX3化學式的(de)化合物，在(zai)這里(li)A可以(yi)是(shi)甲氨基等(deng)有機分子(zi)(zi)基團，而B可以(yi)是(shi)鉛原(yuan)子(zi)(zi)（也可以(yi)是(shi)錫原(yuan)子(zi)(zi)），X則一般含有鹵素原(yuan)子(zi)(zi)。
在太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)池領域，一般使用的(de)是有(you)機(ji)無機(ji)復合的(de)鈣鈦礦(kuang)。鈣鈦礦(kuang)一般是作為太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)池的(de)吸收(shou)層來(lai)使用，在接受太(tai)(tai)陽(yang)光(guang)的(de)照射(she)以(yi)后，鈣鈦礦(kuang)吸收(shou)了光(guang)子以(yi)后會產生電(dian)(dian)子-空穴對(dui)。電(dian)(dian)子帶負(fu)電(dian)(dian)，而空穴可以(yi)看(kan)成(cheng)是帶正電(dian)(dian)。這(zhe)些電(dian)(dian)子-空穴對(dui)分道揚鑣成(cheng)為太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)池中的(de)載流(liu)子分別流(liu)向正負(fu)極(ji)，這(zhe)樣(yang)就形成(cheng)了光(guang)電(dian)(dian)流(liu)。所以(yi)，太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)池的(de)物理(li)原理(li)，其(qi)實(shi)依然是愛(ai)因斯坦提出的(de)光(guang)電(dian)(dian)效應。
太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)上每(mei)時每(mei)刻都在進(jin)行著核(he)反應(ying)，核(he)反應(ying)產(chan)生的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)光照射(she)在地球上，在每(mei)平方米的(de)(de)地面(mian)上帶來1000瓦特的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)輻射(she)功率(lv)。在地球上可以直接利用(yong)這些太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)光的(de)(de)能(neng)量來發電(dian)，這造就了太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)這個行業(ye)。太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)一般是(shi)由(you)很多(duo)層(ceng)(ceng)材料堆積起來的(de)(de)，其(qi)中起到光吸(xi)收作用(yong)的(de)(de)層(ceng)(ceng)叫做吸(xi)收層(ceng)(ceng)。
太陽能電池也按照吸收層的材料特性來命名，比如晶體硅太陽能電池的吸收層就是單晶硅或者多晶硅；薄膜太陽能電池的吸收層一般是厚度幾個微米的薄膜材料；而鈣鈦礦太陽能電池的吸收層就是鈣鈦礦。單晶硅的光電轉換效率的世界紀錄是26%，而鈣鈦礦的光電轉換效率的世界紀錄是24%左右，兩者差別不大。但鈣鈦礦有著特有的優點。鈣鈦礦材料天生就有很好(hao)的光電特(te)性：相比于間接帶隙的單晶硅，它是直接帶隙，所以鈣鈦礦的熒光效率特別高， 可惜的是，目前能實現的鈣鈦礦電池面積都很小，而單(dan)晶硅的面積(ji)則很(hen)大。所以從(cong)(cong)光(guang)電轉換效(xiao)率兩說(shuo)，兩者在伯(bo)仲(zhong)之(zhi)間(jian)；但從(cong)(cong)面積(ji)來(lai)說(shuo)，單(dan)晶硅還是領(ling)先于鈣鈦(tai)礦(kuang)的。鈣鈦(tai)礦(kuang)太陽能電池的另(ling)一個缺(que)點在于，它的穩(wen)(wen)定性還不夠好。如果能提(ti)升(sheng)鈣鈦(tai)礦(kuang)的穩(wen)(wen)定性、將其壽命提(ti)到20年，那(nei)么鈣鈦(tai)礦(kuang)是很(hen)有可(ke)能取代單(dan)晶硅的。
楊陽在接受《環球科(ke)學》采訪時(shi)表示：“我(wo)相信在不久(jiu)的(de)將來，也(ye)許在兩三內年，鈣鈦礦應(ying)該會追過單(dan)晶硅。現在主要的(de)問(wen)題是(shi)(shi)鈣鈦礦電池(chi)的(de)面(mian)積放大之(zhi)后，它(ta)的(de)光電轉換(huan)效率(lv)會往(wang)下跌。我(wo)們把(ba)學術界(jie)(jie)的(de)產品拿到工業界(jie)(jie)做大之(zhi)后，有時(shi)候也(ye)許不像理想中的(de)那么(me)好(hao)。所以(yi)這個(ge)是(shi)(shi)學術界(jie)(jie)跟工業界(jie)(jie)的(de)一個(ge)差異。”
楊(yang)陽教授(shou)的(de)研究(jiu)組(zu)一(yi)(yi)直在(zai)從事(shi)鈣鈦礦太陽能電(dian)池的(de)研究(jiu)。楊(yang)陽對“能產生電(dian)”或者(zhe)“與光有關”的(de)材料一(yi)(yi)直有很大的(de)興趣，部分原因在(zai)于他博士剛畢業的(de)時(shi)候在(zai)美(mei)國科(ke)學家艾倫(lun)·黑格（A. Heeger） 教授(shou)的(de)公司(si)里工作。楊(yang)陽跟隨(sui)艾倫(lun)·黑格工作了四(si)年(nian)多，剛開(kai)始主要做(zuo)導電(dian)高分子材料，后來(lai)又(you)開(kai)始做(zuo)高分子OLED，這是有機(ji) LED 的(de)另外(wai)一(yi)(yi)個分支。有機(ji) LED 后來(lai)產業化成功(gong)，做(zuo)成了 OLED 面(mian)板(ban)，在(zai)智(zhi)能手(shou)機(ji)上有很多應用。而艾倫(lun)·黑格因在(zai)導電(dian)聚合物領域(yu)的(de)開(kai)創性貢獻(xian)，成為2000年(nian)的(de)諾貝爾化學獎得主。
一天早上，楊(yang)陽研究組里的兩個博士生，邊喝咖(ka)啡(fei)邊討論鈣鈦(tai)礦(kuang)研究。王睿說：“我們(men)人需(xu)要咖(ka)啡(fei)來提神，那么鈣鈦(tai)礦(kuang)呢(ni)？也許它們(men)也需(xu)要咖(ka)啡(fei)才能表(biao)現得更好(hao)？”
王睿(rui)不經(jing)意的(de)(de)一(yi)句話讓(rang)薛(xue)晶(jing)晶(jing)聯想到咖(ka)啡因是一(yi)種常見的(de)(de)生物堿，它里面的(de)(de)未成(cheng)對電(dian)子(zi)可(ke)(ke)以與鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)材料中的(de)(de)鉛(qian)離子(zi)相互作(zuo)用。咖(ka)啡因分(fen)子(zi)上的(de)(de)羰基(ji)基(ji)團(tuan)可(ke)(ke)以和鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)的(de)(de)鉛(qian)離子(zi)形成(cheng)一(yi)個分(fen)子(zi)鎖。這可(ke)(ke)以提高(gao)鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)分(fen)解所需要的(de)(de)能量勢壘，從而(er)讓(rang)鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)穩(wen)定下來(lai)。同時，這樣的(de)(de)分(fen)子(zi)鎖可(ke)(ke)以降低鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)晶(jing)體(ti)的(de)(de)成(cheng)核速度，得到更高(gao)質量的(de)(de)鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)多晶(jing)薄膜，且可(ke)(ke)以使(shi)鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)的(de)(de)晶(jing)粒更具有取向性，從而(er)提高(gao)載流(liu)子(zi)的(de)(de)傳輸效(xiao)率(lv)，這就可(ke)(ke)以提高(gao)鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)太陽(yang)能電(dian)池的(de)(de)光電(dian)轉換(huan)效(xiao)率(lv)。
楊陽研究小組用加熱的方法將咖啡因添加到40個太陽能電池的鈣鈦礦層中，并使用紅外吸收光譜來確定咖啡因是否成功地與鈣鈦礦結合了。他們發現了咖啡因在與鈣鈦礦結合后，咖啡因中的羰基的特征峰發生了移動，這意味著咖啡因(yin)已經成功與鈣鈦礦結(jie)合(he)了。
在進一步的透射電子顯微鏡測試中，這種“喝了咖啡”的鈣鈦礦材料被電子束加熱時，分子鎖還是保持穩定。楊陽說：“隨后，我們把這種喝了咖啡的鈣鈦礦做成太陽能電池，發現其輸出功率(lv)——也就是電流(liu)與(yu)電壓的乘積提高了(le)大約(yue)20%”。因(yin)此，這是一(yi)項(xiang)重要的(de)(de)(de)進(jin)展，這說明咖啡(fei)(fei)因(yin)可以幫助鈣(gai)鈦礦(kuang)獲得高結晶度、低缺陷(xian)和(he)良好(hao)的(de)(de)(de)穩定性。這也意味著它可能在鈣(gai)鈦礦(kuang)太陽能電池(chi)的(de)(de)(de)產業化中發揮巨大作用(yong)。不過，由于(yu)其(qi)作用(yong)機(ji)理是咖啡(fei)(fei)因(yin)與鈣(gai)鈦礦(kuang)里(li)的(de)(de)(de)鉛離子產生了相互作用(yong)，這一(yi)過程不適(shi)用(yong)于(yu)單晶硅太陽能電池(chi)。
現(xian)在看來，無論未來的產(chan)業化道(dao)路怎么樣。在2019年(nian)，由中國人(ren)發現(xian)的愛喝(he)咖啡的太陽能電池，至少可(ke)以與2011年(nian)日(ri)本人(ren)發現(xian)的愛喝(he)酒的高溫超導體相媲美。
