靈感來自於大學生活中最關鍵的儀式之一：咖啡休息時間。“我們需要咖啡來增強我們的能量，” Rui Wang 告訴加州大學洛杉磯分校工程系的同校研究生 Jingjing Xue。 Wang 開玩笑地建議，也許我們應該給我們的實驗性太陽能電池也注入咖啡因，讓它們也能更好地工作。
Xue 的回應：這可能真的可行。
加州大學洛杉磯分校的工程師 Yang Yang，Wang 和 Xue 的研究生導師說，這是一個“純粹的運氣”的時刻。 Yang 的實驗室一直在嘗試透過用某些穩定化合物摻雜麵板，來提高一種有前途但又不穩定的太陽能電池板（由一種叫做鈣鈦礦的材料製成）的壽命。“我們需要某種帶有孤對電子的分子，” Yang 說。這種分子邊緣的孤立電子對（咖啡因實際上具有這種特徵）可以與鈣鈦礦等其他材料相互作用或結合。
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在這種情況下，“鈣鈦礦”一詞指的是任何具有特定結構的晶體。它通常由廉價、常見的元素組成，如碘、鉛和溴，並且在過去 10 年中一直是太陽能研究的寵兒。“這種材料被認為是奇蹟，” Yang 說。在過去的十年中，鈣鈦礦研究面板的效率大大提高，從收集 1% 的可用太陽能提高到 20%。與矽（當今大多數商業太陽能電池板的核心材料）不同，鈣鈦礦很容易生長成活性層，當光線照射到它們時，就會產生電力。“一個高中生可以在我們的實驗室裡製造出好的鈣鈦礦太陽能電池，” Yang 說。
實驗室中經過咖啡因處理的鈣鈦礦太陽能電池。 圖片來源：Jingjing Xue
但是這種材料也非常不穩定。在太陽能電池中的每個鈣鈦礦晶體之間，都存在一個微小的邊界，稱為“晶界”。“那些是麻煩製造者，” Yang 說。如果晶體暴露在空氣中，水分和氧氣會侵蝕邊界並破壞太陽能電池。 因此，Yang 說，太陽能電池“可能在一天內降解”。 如果鈣鈦礦要為未來的太陽能提供能量，研究人員將需要一種長期穩定電池的方法。
這就是咖啡因的作用所在。 世界上使用最廣泛的精神活性藥物恰好具有兩個攜帶孤對電子的碳氧基團。“這可以鎖定鈣鈦礦中的鉛，” Yang 說。“當 [咖啡因] 鎖定在鈣鈦礦晶體上時，它會穩定晶界並防止材料降解——而且太陽能電池具有更好的穩定性。”
為了測試這個想法，Yang 和他的學生們構建了一個鈣鈦礦太陽能電池板，並在晶體中添加了咖啡因。“對於鈣鈦礦，我們只是購買化學品並在我們的實驗室的燒杯中混合它們。 這就像烹飪，” Yang 說。“然後我們在液體中加入少量咖啡因，並將它們均勻混合。” 最後，科學咖啡師將液體倒在玻璃上，形成一層鈣鈦礦晶體，這是指甲大小的太陽能電池的基礎。
研究人員對該電池進行了分子分析，發現咖啡因與鈣鈦礦的鉛原子結合。他們對其進行了測試，發現它能夠穩定執行超過 1300 小時——並且效率比脫咖啡因面板更高。“它現在已經運行了數千小時，並且還在繼續執行，” Yang 說。“而且 [咖啡因] 將效率從大約 16% 提高到 20%。” 該團隊於週四在Joule上報告了這一發現。
Yang 說，雖然 20% 不是鈣鈦礦太陽能電池板所達到的最高效率，但研究結果表明，該化合物可能有助於穩定其他已達到更高效率的鈣鈦礦系統。 由兩種不同型別的鈣鈦礦製成的串聯或混合太陽能電池，在任何咖啡因提升之前，已經能夠達到接近 30% 的效率。“串聯太陽能電池就像雙層巴士，” Yang 說。“任何有助於單層巴士的東西都可以幫助雙層巴士。”
科羅拉多州戈爾登市國家可再生能源實驗室的物理學家 Joseph Berry 說，咖啡因似乎使鈣鈦礦晶體在形成時，不像那些在沒有藥物的情況下生長的晶體那樣“無序”，他沒有參與這項研究。“一般來說，觀點是，‘如果你使材料更完美，你就會得到一個性能更好的材料。’ 咖啡因在區域性層面確保你得到一種結構更完善的材料，” 他說。“這會產生更穩定的裝置。”
北卡羅來納大學教堂山分校的物理學家 Jinsong Huang 說，這項研究令人印象深刻，他也未參與這項工作。 他認為這可能會推動鈣鈦礦太陽能電池更接近商業銷售。“穩定性是 [鈣鈦礦電池] 進入市場我們需要克服的最後一個障礙，” Huang 說。“你可以用其他方式使太陽能電池更高效、更穩定。 但這是一個非常好的結果，它開啟了我們對你從未想過會起作用的不同材料的思路。”
Berry 認為，這項研究還可以幫助研究人員弄清楚如何以可能指導未來研究的方式來操縱和工程化鈣鈦礦。“從根本上說，這些鈣鈦礦材料提供了一種無法比擬的功能。 我們才剛剛開始充分了解它們，以便開始對它們進行工程化，” 他說。“這就是為什麼 Yang 的這些研究結果如此引人注目的原因。” 從這項新研究中獲得的見解可能有助於科學家發現或設計出比咖啡因更能穩定鈣鈦礦太陽能電池的新分子。
另一方面，Berry 建議，也許根本沒有更好的解決方案。“這是最好的解決方案嗎？ 這很難說。 還有很多東西需要了解，” 他說。“但我的意思是，我們都喜歡咖啡因——所以也有這個原因。”