29.04.2019 - Cell Press

Koffein gibt Solarzellen einen Energieschub

Die Idee begann als Witz über den Morgenkaffee

Wissenschaftler der University of California, Los Angeles (UCLA) und Solargiga Energy in China haben herausgefunden, dass Koffein dazu beitragen kann, eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Solarzellen bei der Umwandlung von Licht in Strom effizienter zu machen. Ihre Forschung kann es dieser kostengünstigen Technologie der erneuerbaren Energien ermöglichen, mit Silizium-Solarzellen auf dem Markt zu konkurrieren.

Die Idee begann als Witz über den Morgenkaffee. "Eines Tages, als wir über Perowskitsolarzellen sprachen, sagte unser Kollege Rui Wang: 'Wenn wir Kaffee brauchen, um unsere Energie zu erhöhen, was ist dann mit Perowskiten? Würden sie Kaffee brauchen, um bessere Leistungen zu erbringen' ", erinnert sich Jingjing Xue, Doktorand in der Forschungsgruppe von Professor Yang Yang Yang am Department of Materials Science and Engineering an der UCLA.

Der Kommentar veranlasste das Team, sich daran zu erinnern, dass das Koffein im Kaffee eine Alkaloidverbindung ist, die Molekularstrukturen enthält, die mit den Vorläufern von Perowskitmaterialien interagieren könnten - Verbindungen mit einer bestimmten Kristallstruktur, die die lichtempfindliche Schicht in einer Klasse von Solarzellen bilden. Bisherige Versuche, die thermische Stabilität dieser Solarzellen zu verbessern, umfassten die Verbesserung der Perowskitschicht durch die Einführung von Verbindungen wie Dimethylsulfoxid, aber die Forscher haben sich bemüht, die Effizienz und Langzeitstabilität der Zellen zu erhöhen. Niemand hatte Koffein ausprobiert.

Als sie merkten, dass sie auf etwas stoßen könnten, legte das Team ihren Kaffee beiseite und begann, weiter zu recherchieren. Sie fügten der Perowskitschicht von vierzig Solarzellen Koffein hinzu und benutzten die Infrarotspektroskopie, um festzustellen, ob das Koffein erfolgreich mit dem Material verbunden war.

Bei weiteren Tests der Infrarotspektroskopie beobachteten sie, dass die Carbonylgruppen im Koffein mit den Bleiionen in der Schicht interagierten, um eine "molekulare Sperre" zu erzeugen. Diese Interaktion erhöhte den minimalen Energiebedarf für die Reaktion der Perowskitfolie und steigerte den Wirkungsgrad der Solarzelle von 17 Prozent auf über 20 Prozent. Die molekulare Sperre trat beim Erwärmen des Materials weiterhin auf, was dazu beitragen könnte, dass die Hitze die Schicht nicht zerstört.

"Wir waren von den Ergebnissen überrascht", sagt Wang, der auch Doktorand in der Forschungsgruppe von Yang an der UCLA ist. "Bei unserem ersten Versuch, Koffein einzubauen, erreichten unsere Perowskitsolarzellen bereits fast den höchsten Wirkungsgrad, den wir im Papier erreicht haben."

Aber während Koffein die Leistung von Zellen, die Perowskit zur Absorption von Sonnenlicht verwenden, deutlich zu verbessern scheint, glauben die Forscher nicht, dass es für andere Arten von Solarzellen nützlich sein wird. Die einzigartige Molekularstruktur des Koffeins erlaubt es ihm nur, mit Perowskit-Vorläufern zu interagieren, was dieser Solarzellensorte einen Vorteil auf dem Markt verschaffen kann. Perowskit-Solarzellen haben bereits den Vorteil, billiger und flexibler zu sein als ihre Silizium-Pendants. Sie sind auch einfacher herzustellen - Perowskitzellen können aus lösungsbasierten Vorläufern im Gegensatz zu festen Kristallbarren hergestellt werden. Mit weiteren Forschungsarbeiten glaubt Wang, dass Koffein die großtechnische Produktion von Perowskitsolarzellen erleichtern kann.

"Koffein kann dem Perowskit helfen, eine hohe Kristallinität, geringe Defekte und eine gute Stabilität zu erreichen", sagt er. "Das bedeutet, dass es möglicherweise eine Rolle bei der skalierbaren Produktion von Perowskitsolarzellen spielen kann."

Um die Effizienz und Stabilität der Solarzellen weiter zu verbessern, plant das Team als nächstes, die chemische Struktur des koffeinhaltigen Perowskit-Materials weiter zu untersuchen und die besten Schutzmaterialien für Perowskite zu identifizieren.

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