近(jin)年(nian)來，鈣(gai)鈦礦太(tai)陽能(neng)電(dian)池產業開始(shi)崛起，因(yin)為單晶(jing)矽與多晶(jing)矽的太(tai)陽能(neng)電(dian)池在提煉過程中需要消(xiao)耗大量的電(dian)力(li)，製(zhi)造成(cheng)本較高(gao)，而鈣(gai)鈦礦太(tai)陽能(neng)具有與單晶(jing)矽接近(jin)的光電(dian)轉換效率、但其製(zhi)備工藝相對簡單，成(cheng)本也較為低廉，所以鈣(gai)鈦礦太(tai)陽能(neng)電(dian)池受到了全球學術界(jie)和產業界(jie)的廣泛關(guan)注，發(fa)展迅速。
在一篇剛(gang)剛(gang)發表於《焦耳》的論文中，來自美國加州大學(xue)(xue)洛杉磯分校材料科(ke)學(xue)(xue)與工程學(xue)(xue)院與錦州陽光(guang)能源(yuan)公司的研究(jiu)團隊，意外地從咖啡中找到了提升鈣鈦礦太(tai)陽能電(dian)池效率(lv)的方法。該論文的(de)通訊作者是加州大(da)學洛(luo)杉(shan)磯分校的(de)楊(yang)陽教授，他領(ling)導的(de)研究小組觀察(cha)到咖啡(fei)因中(zhong)氧原子與(yu)鈣鈦礦材料中(zhong)鉛離子的(de)相互(hu)作用，能顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的(de)熱穩定性、將(jiang)太陽能電池的(de)效率從17%提高到20%，這使(shi)得鈣鈦礦太陽能電池取代(dai)晶(jing)矽電池的可能性變得更大。
咖(ka)啡(fei)因與鈣鈦礦
人類可以在咖(ka)(ka)啡與(yu)茶中找到大量的咖(ka)(ka)啡因(yin)。咖(ka)(ka)啡因(yin)的學(xue)名(ming)是1,3,7-三甲基黃嘌呤，從分(fen)子結構圖上可(ke)以看出它(ta)含(han)有三個甲基。在楊陽教授領導的(de)研究中，起到關(guan)鍵作用的(de)不是(shi)咖啡(fei)因分(fen)子中的(de)甲基，而(er)是(shi)咖啡因分子中的(de)氧(yang)原子。這些(xie)氧原子與碳原子構成了碳氧雙鍵。
我(wo)們知道，氧(yang)原子的最(zui)外(wai)層的電子一共有6個。組成碳(tan)氧雙鍵後還(huan)有4個電子(zi)沒(mei)有配對，咖啡因氧(yang)原子(zi)內的未配對電子(zi)可以與鈣鈦(tai)礦中的鉛離子(zi)相結合形成分子(zi)鎖。
鈣(gai)鈦(tai)礦是(shi)此次(ci)研究中的另一個主角(jiao)。值得注意的是(shi)，這次(ci)實(shi)驗中使用的鈣(gai)鈦(tai)礦裏並沒(mei)有(you)鈣(gai)，也(ye)沒(mei)有(you)鈦(tai)。鈣(gai)鈦(tai)礦（Perovskite）材料是以(yi)俄國的礦物學家列(lie)維.佩羅夫斯基（Lev Perovski）的名(ming)(ming)字命名(ming)(ming)。最早被(bei)發現的鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦材料是鈣(gai)(gai)(gai)與(yu)鈦的複(fu)合(he)氧(yang)化物(wu)。不過了到後(hou)來，鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦的概念有了很(hen)大的延展，它(ta)已經不特指鈣(gai)(gai)(gai)鈦複(fu)合(he)氧(yang)化物(wu)，而用來泛(fan)指一系列具有(you)ABX3化學式(shi)的化合(he)物，在這裏A可以是(shi)甲(jia)氨(an)基(ji)等有機(ji)分子基(ji)團，而B可以是(shi)鉛原(yuan)子（也(ye)可以是(shi)錫原(yuan)子），X則一(yi)般含有鹵素(su)原子。
鈣鈦礦結構示意圖
在(zai)太陽(yang)(yang)能電(dian)池(chi)領域，一般使用的(de)是有機無機複合的(de)鈣(gai)鈦礦。鈣(gai)鈦礦一般是作為太陽(yang)(yang)能電(dian)池(chi)的(de)吸收層來使用，在(zai)接受太陽(yang)(yang)光的(de)照射以後(hou)，鈣(gai)鈦礦吸收了(le)光子以後(hou)會產生(sheng)電(dian)子-空穴(xue)對。電(dian)子帶負電(dian)，而空穴(xue)可(ke)以看(kan)成是帶正電(dian)。這些(xie)電(dian)子-空穴對分道揚鑣成為太陽能電池中的(de)載流子分別流向(xiang)正負極，這樣就(jiu)形成了光電流。所以(yi)，太陽能電池的(de)物理原理，其實依然是愛(ai)因斯(si)坦(tan)提(ti)出(chu)的(de)光電效應。
鈣鈦礦太陽能電(dian)池現狀(zhuang)
太(tai)陽上每時每刻(ke)都在進行著核反應，核反應產生的太(tai)陽光照射在地(di)球(qiu)上，在每平方米的地(di)面上帶(dai)來1000瓦特的太(tai)陽輻射(she)功率。在地球上可以直(zhi)接利用(yong)這些太(tai)陽光(guang)(guang)的能(neng)量來發電(dian)，這造就了(le)太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)這個行業(ye)。太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)一般是由很多(duo)層材料(liao)堆積(ji)起來的，其中(zhong)起到光(guang)(guang)吸(xi)收(shou)作用(yong)的層叫做吸(xi)收(shou)層。
太(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)池也按(an)照吸(xi)(xi)收層的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)特性來命(ming)名，比如晶(jing)(jing)體(ti)矽太(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)池的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收層就(jiu)是(shi)單晶(jing)(jing)矽或(huo)者多晶(jing)(jing)矽；薄膜太(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)池的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收層一般(ban)是(shi)厚度(du)幾個微米的(de)(de)(de)薄膜材(cai)(cai)料(liao)；而鈣鈦(tai)礦太(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)池的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收層就(jiu)是(shi)鈣鈦(tai)礦。單晶(jing)(jing)矽的(de)(de)(de)光電(dian)轉(zhuan)換效率的(de)(de)(de)世界紀錄是(shi)26%，而鈣鈦(tai)礦的(de)光電(dian)轉換效率的(de)世界紀錄(lu)是(shi)24%左(zuo)右，兩(liang)者差(cha)別不大。但鈣鈦(tai)礦有(you)著特有(you)的優(you)點。鈣鈦(tai)礦(kuang)材(cai)料天(tian)生就有很好(hao)的光電特性：相比於間接帶隙的單晶矽，它是直接帶隙，所以鈣鈦礦的螢光效率特別高， 可惜(xi)的是，目(mu)前能實現的鈣鈦礦電池面積都很小(xiao)，而單晶(jing)矽的(de)面(mian)積(ji)則(ze)很大。所以從光電轉換效率(lv)兩說，兩者在(zai)伯仲之間；但從面(mian)積(ji)來說，單晶(jing)矽還是領先於鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)的(de)。鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)太陽能(neng)電池的(de)另一個缺點在(zai)於，它的(de)穩定(ding)性(xing)還不(bu)夠好。如果(guo)能(neng)提升鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)的(de)穩定(ding)性(xing)、將其壽命(ming)提到20年，那麼鈣鈦礦是很有(you)可能取代單晶矽(xi)的。
喝(he)咖啡產(chan)生的靈感(gan)
楊(yang)陽(yang)在接受《環球科學(xue)》採訪(fang)時表(biao)示：“我相信在不久的(de)(de)將(jiang)來，也許在兩三內年，鈣(gai)鈦礦應該會追過(guo)單(dan)晶矽。現在主要的(de)(de)問(wen)題是鈣(gai)鈦礦電池的(de)(de)面積(ji)放大(da)之後(hou)，它的(de)(de)光電轉換效率(lv)會往下跌。我們(men)把學術界(jie)的(de)(de)產品拿到工業界(jie)做(zuo)大(da)之後(hou)，有時候(hou)也許不像理想中的(de)(de)那(nei)麼好。所以(yi)這個(ge)是學術界(jie)跟工業界(jie)的(de)(de)一個(ge)差異。”
楊(yang)陽教(jiao)授的研(yan)究組一(yi)直在(zai)從事鈣鈦礦太陽能電池的研(yan)究。楊(yang)陽對“能產(chan)生(sheng)電(dian)”或(huo)者“與光有(you)關”的(de)材料一直有很大(da)的(de)興(xing)趣(qu)，部分原(yuan)因在(zai)於(wu)他博(bo)士剛畢業的(de)時候在(zai)美國(guo)科學家艾倫·黑(hei)格（A. Heeger） 教授的公司裏工作。楊陽跟隨艾倫·黑格工作了(le)四年多，剛開始主要做導電高分(fen)(fen)子(zi)材料(liao)，後來又開始做高分(fen)(fen)子(zi)OLED，這(zhe)是有機 LED 的另(ling)外一個分支。有機 LED 後來產業(ye)化成功，做成了 OLED 面板，在(zai)智(zhi)能手機上有很多應用。而艾倫·黑格因在導電聚合(he)物領域(yu)的開(kai)創性貢(gong)獻，成為2000年的諾貝爾(er)化學獎(jiang)得(de)主。
一(yi)天早上，楊陽研(yan)(yan)究組裏(li)的兩(liang)個博士(shi)生(sheng)，邊喝咖(ka)啡邊討論鈣(gai)鈦礦研(yan)(yan)究。王睿說：“我們(men)人(ren)需要咖啡來(lai)提神(shen)，那麼(ma)鈣鈦礦呢(ni)？也許它們(men)也需要咖啡才能表(biao)現得更好(hao)？”
王睿不經意的(de)(de)一句話讓薛晶(jing)晶(jing)聯想到咖(ka)啡因是(shi)一種常見(jian)的(de)(de)生物鹼，它裏(li)面的(de)(de)未(wei)成(cheng)對電子(zi)(zi)(zi)可(ke)以與(yu)鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦材料中的(de)(de)鉛離子(zi)(zi)(zi)相互作(zuo)用。咖(ka)啡因分子(zi)(zi)(zi)上(shang)的(de)(de)羰基基團可(ke)以和鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦的(de)(de)鉛離子(zi)(zi)(zi)形(xing)成(cheng)一個分子(zi)(zi)(zi)鎖。這可(ke)以提高(gao)(gao)鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦分解所需要的(de)(de)能量勢壘，從(cong)而(er)讓鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦穩定(ding)下來。同時，這樣的(de)(de)分子(zi)(zi)(zi)鎖可(ke)以降(jiang)低鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦晶(jing)體(ti)的(de)(de)成(cheng)核速度，得到更高(gao)(gao)質量的(de)(de)鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦多(duo)晶(jing)薄膜，且可(ke)以使鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦的(de)(de)晶(jing)粒更具有取向性，從(cong)而(er)提高(gao)(gao)載(zai)流(liu)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)傳輸效率，這就(jiu)可(ke)以提高(gao)(gao)鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦太陽(yang)能電池的(de)(de)光電轉換(huan)效率。
提高(gao)輸(shu)出功率
楊陽研究小(xiao)組用(yong)加熱的方法(fa)將咖啡因添加到40個(ge)太陽能電池的鈣鈦(tai)礦層中(zhong)，並使用紅外(wai)吸收光譜來確定咖(ka)啡因是否成功地與鈣鈦(tai)礦結(jie)合了。他們(men)發(fa)(fa)現(xian)了咖(ka)啡因在與鈣鈦(tai)礦結(jie)合後，咖(ka)啡因中(zhong)的羰基的特徵峰發(fa)(fa)生了移動(dong)，這意味著咖啡因已經成功與鈣鈦礦結合了(le)。
在進一步(bu)的透射電子顯(xian)微鏡測試中，這種“喝了咖啡”的鈣鈦(tai)礦材料被電子束加熱時，分子鎖還是保持穩定(ding)。楊陽(yang)說：“隨後，我們把這(zhe)種喝(he)了咖(ka)啡的鈣鈦礦做成太陽能電池(chi)，發現其(qi)輸(shu)出功率——也就是電流與電壓(ya)的乘積提高了大約20%”。因此(ci)，這是一(yi)項重要的進展，這說明咖啡因可以(yi)幫助鈣(gai)鈦(tai)礦獲(huo)得(de)高結晶度、低缺陷和良(liang)好的穩(wen)定性。這也意味著(zhu)它可能(neng)在(zai)鈣(gai)鈦(tai)礦太陽(yang)能(neng)電池(chi)的產業化中發(fa)揮巨(ju)大(da)作用。不過，由於(wu)其(qi)作用機理是咖啡因與鈣(gai)鈦(tai)礦裏(li)的鉛離子產生了相互(hu)作用，這一(yi)過程不適用於(wu)單(dan)晶矽太陽(yang)能(neng)電池(chi)。
現在(zai)(zai)看來(lai)，無論未來(lai)的產業化道路怎麼樣。在(zai)(zai)2019年，由中國人發現的愛喝(he)咖啡的太陽能電池，至(zhi)少可(ke)以與2011年日本人發現的(de)愛喝(he)酒的(de)高溫(wen)超導體(ti)相(xiang)媲美。
