“喝了咖啡”的钙钛矿光伏电池,输出功率和稳定性都更高了!

来源:《环球科学》发布时间:2019-04-30 08:54:21

近年来,由于钙钛矿太阳能电池具有与单晶硅接近的光电转换效率,且制备工艺相对简单,成本也较为低廉,所以受到了全球学术界和产业界的广泛关注,发展迅速。

在一篇刚刚发表于《焦耳》的论文中,来自美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院、锦州阳光能源公司的研究团队,从咖啡中找到了提升钙钛矿太阳能电池效率的方法。该论文的通讯作者是加州大学洛杉矶分校的杨阳教授,他领导的研究小组观察到咖啡因中氧原子与钙钛矿材料中铅离子的相互作用,能显著提升钙钛矿太阳能电池的热稳定性,将转换效率从17%提升到20%。

喝咖啡产生的灵感

杨阳在接受《环球科学》采访时表示:“我相信在不久的将来,也许在两三内年,钙钛矿应该会追过单晶硅。现在主要问题在于钙钛矿电池的面积放大之后,光电转换效率会下降。我们把学术界的产品拿到产业界做大之后,有时候效果不像理想中的那么好。”

杨阳教授的研究组一直在从事钙钛矿太阳能电池的研究。一天早上,杨阳研究组里的两个博士生王睿和薛晶晶,边喝咖啡边讨论钙钛矿研究。王睿说:“我们人需要咖啡来提神,那么钙钛矿呢?也许它们也需要咖啡才能表现得更好?”

王睿不经意的一句话让薛晶晶联想到咖啡因是一种常见的生物碱,它里面的未成对电子可以与钙钛矿材料中的铅离子相互作用。咖啡因分子上的羰基基团可以和钙钛矿的铅离子形成一个分子锁,这可以提高钙钛矿分解所需要的能量势垒,从而让钙钛矿稳定下来。同时,这样的分子锁可以降低钙钛矿晶体的成核速度,得到更高质量的钙钛矿多晶薄膜,且可以使钙钛矿的晶粒更具有取向性,从而提高载流子的传输效率,这就可以提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

咖啡因可提高钙钛矿输出功率

杨阳研究小组用加热的方法将咖啡因添加到40个太阳能电池的钙钛矿层中,并使用红外吸收光谱来确定咖啡因是否成功地与钙钛矿结合了。结果显示,咖啡因中羰基的特征峰发生了移动,这意味着咖啡因已成功与钙钛矿结合。

在进一步的透射电子显微镜测试中,这种“喝了咖啡”的钙钛矿材料被电子束加热时,分子锁还是保持稳定。杨阳说:“我们把这种喝了咖啡的钙钛矿做成太阳能电池,发现其输出功率提高了大约20%”。

这说明咖啡因可以帮助钙钛矿获得高结晶度、低缺陷和良好的稳定性。这也意味着它可能在钙钛矿太阳能电池的产业化中发挥巨大作用。

咖啡因与钙钛矿

咖啡因学名是1,3,7-三甲基黄嘌呤,结构式如下图。在杨阳教授领导的研究中,起到关键作用的是咖啡因分子中的氧原子,这些氧原子与碳原子构成了碳氧双键。

氧原子最外层电子一共有6个,组成碳氧双键后还有4个电子没有配对,咖啡因氧原子内的未配对电子可以与钙钛矿中的铅离子相结合形成分子锁。

在太阳能电池领域,一般使用的是有机无机复合的钙钛矿。钙钛矿一般是作为太阳能电池的吸收层来使用,在接受太阳光的照射以后,钙钛矿吸收了光子以后会产生电子-空穴对。电子带负电,而空穴可以看成是带正电。这些电子-空穴对分道扬镳成为太阳能电池中的载流子分别流向正负极,这样就形成了光电流。

钙钛矿太阳能电池现状

太阳能电池一般是由很多层材料堆积起来的,其中起到光吸收作用的层叫做吸收层。太阳能电池也按照吸收层的材料特性来命名,比如晶体硅太阳能电池的吸收层就是单晶硅或者多晶硅;薄膜太阳能电池的吸收层一般是厚度几个微米的薄膜材料;而钙钛矿太阳能电池的吸收层就是钙钛矿。

目前单晶硅光电转换效率的世界纪录是26%,而钙钛矿的世界纪录是24%左右,两者差别不大。不过钙钛矿材料天生就有很好的光电特性,相比于间接带隙的单晶硅,它是直接带隙,所以钙钛矿的荧光效率特别高。

可惜的是,目前能实现的钙钛矿电池面积都很小。钙钛矿太阳能电池的另一个缺点在于,它的稳定性还不够好。如果能提升钙钛矿的稳定性,将其寿命提到20年,那么钙钛矿是很有可能取代单晶硅的。

现在看来,无论未来的产业化道路怎么样。在2019年,由中国人发现的爱喝咖啡的太阳能电池,至少可以与2011年日本人发现的爱喝酒的高温超导体相媲美。

责任编辑:sunnyliu
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
通威受邀出席2026钙钛矿与太空光伏技术、设备和材料论坛,分享全尺寸钙钛矿-晶硅叠层电池规模化制备与产业化进展来源:通威股份 发布时间:2026-10-30 09:18:45

通威张一峰博士在常州钙钛矿论坛披露叠层电池产业化突破:210半片电池效率达33.09%,组件功率807.9W;5MW全自动试验线贯通,材料成本降60%;独创气相+溶液两步法实现膜厚不均匀性<1%;2027年将建AI高通量实验平台,加速千兆瓦级量产落地。

晋能控股光伏制造有限公司与纤纳光电开展钙钛矿-晶硅叠层技术交流来源:晋能清洁能源科技股份公司 发布时间:2026-10-22 09:16:36

晋能控股光伏制造与纤纳光电就钙钛矿-晶硅叠层电池技术深度交流,聚焦大面积、高稳定关键技术攻关及研发线建设。双方将共建“研发-实证-转化”创新联合体,加速产业化落地,助力山西能源转型与光伏新质生产力发展。

站起来的“钙钛矿”!极电光能以硬核实证探索光伏价值新空间来源:极电光能 发布时间:2026-10-16 09:30:36

本文介绍了极电光能在国内首个钙钛矿双面发电组件垂直安装实证项目——位于河北张家口国家风光储输示范基地的运行成果。项目于2023年8月启动,对南北、东西向垂直安装的钙钛矿组件开展近一个半月的并网实测。数据显示:组件双面率达79%,系统效率(PR值)平均接近100%;在早晚低辐照时段形成双发电高峰,精准匹配电网负荷与分时电价高峰;阴雨天(日辐照<2kWh/㎡)下PR值仍达106.5%–129.3%,凸显优异弱光响应与温度稳定性。文章进一步指出,垂直安装模式突破传统地面平铺局限,适配光电建筑、高速声屏障、农光互补等多元场景,标志着钙钛矿光伏正从技术验证迈向高价值商业化应用新阶段。(199字)

正泰新能两项钙钛矿叠层光伏技术入选2026年第一批科技计划项目拟立项(备案)公示来源:钙钛矿光链 发布时间:2026-10-12 06:16:00

海宁市科技局于2026年9月30日至10月13日公示2026年第一批科技计划项目拟立项名单,其中正泰新能科技股份有限公司牵头申报的两项钙钛矿叠层光伏技术项目入选。一项为产学研合作项目,聚焦高效稳定的钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池研发,由何晨旭负责;另一项为科技型企业备案制项目,致力于钙钛矿/晶硅四端叠层技术开发,由李晓伟负责。两个项目均执行期为2026年7月1日至2029年6月30日,实施地位于海宁市黄湾镇。此次立项反映了海宁市对下一代高转换效率光伏技术的重点支持,也凸显正泰新能在钙钛矿叠层电池前沿方向的技术布局与研发实力。(198字)

推进多场景试点应用!《江苏省推进钙钛矿光伏电池试点应用实施方案》发布来源:江苏省发改委 发布时间:2026-09-20 09:09:30

江苏省于2026年9月14日印发《推进钙钛矿光伏电池试点应用实施方案》,明确以多场景验证为路径,加快钙钛矿光伏技术工程化落地。方案提出到2030年,建成一批技术先进、效益显著的试点项目,形成全国领先的创新与应用试点体系。重点布局五大应用场景:“钙钛矿光伏+交通设施”,推动铁路、公路、港口及车载光伏应用;“+建筑”,推广光伏瓦、幕墙等BIPV产品;“+矿区”,结合生态修复实现能源开发与环境治理协同;“+海上风光同场”,开展高盐雾、高湿热环境实证;以及“+其他”,拓展至零碳园区、农(渔)光互补、可穿戴设备和航空航天等领域。配套强化项目试点、政策激励、市场消纳与标准认证四大支撑举措,全面助力钙钛矿光伏产业化与绿色低碳发展。(198字)

国内首次柔性钙钛矿光伏组件级在轨验证启动来源:炎和科技 发布时间:2026-09-18 08:41:14

9月17日,我国在酒泉卫星发射中心成功发射快舟十一号遥三火箭,将天仪51星与52星送入预定轨道。其中,炎和科技自主研发的柔性钙钛矿光伏组件搭载天仪52星进入太空,正式启动国内首次组件级柔性钙钛矿光伏在轨工程化验证。该试验聚焦空间极端环境下的全工况考核,包括高真空、±100℃温度循环、高能粒子辐照及原子氧侵蚀等多因素耦合条件,重点评估组件在热循环疲劳、辐照退化和机械震动下的电学输出特性、连接可靠性与力学稳定性。所有核心性能参数通过星上遥测系统实时回传。区别于以往小尺寸器件的原理性验证,本次任务首次面向工程应用,覆盖电学、连接、力学三大维度,旨在填补国内商业航天领域柔性钙钛矿光伏在轨工程数据空白,标志该技术由实验室研究正式迈入工程化应用验证阶段。(198字)

硒钼科技与贝克勒尔签署战略合作协议 共同开发高效高稳定性钙钛矿材料来源:钙钛矿工厂 发布时间:2026-08-20 08:55:18

2026年8月15日,硒钼科技与贝克勒尔签署战略合作协议,聚焦高效高稳定性钙钛矿材料的联合研发。硒钼科技作为AI for Science(AI4S)领域先行者,依托自主物理建模算法与融合物理约束的AI生成模型,致力于加速新材料发现;贝克勒尔则为专注钙钛矿-晶硅叠层电池产业化的新锐企业,拥有沈文忠、蔡墨朗等光伏领域资深专家的技术支撑。双方将结合硒钼科技的AI驱动材料设计能力与贝克勒尔在钙钛矿材料性能、器件结构及稳定性方面的实验数据与工程经验,构建“理论设计—高通量计算—合成验证—反馈优化”的闭环研发范式,重点突破钙钛矿本征稳定性瓶颈。合作成果将形成面向产业链的AI驱动材料发现产品,并计划未来向更广泛的AI for Material领域拓展。(199字)

突破31%!钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池新纪录:双界面工程助力效率与稳定性双丰收来源:钙钛矿材料和器件 发布时间:2026-08-06 08:36:09

本文报道了我国科研团队在钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池领域取得的重大突破:通过创新性提出“双界面载流子传输工程”(DICTE)策略,同步优化底部(空穴侧)与顶部(电子侧)界面,成功将小面积器件效率提升至31.09%(认证30.57%),大面积器件达28.85%,并显著增强长期稳定性——未封装器件在氮气环境中储存3576小时后效率保持94%,70°C热老化960小时后仍超90%,最大功率点跟踪756小时后保持91%。研究针对CIGS表面粗糙导致钙钛矿成膜不均、界面能级失配及缺陷复合等核心瓶颈,分别采用双层NiOₓ空穴传输层实现保形覆盖与高效空穴提取,以及EDADI/p-F-PEAI双分子协同钝化改善电子传输与能带匹配,系统解决了效率与稳定性难以兼顾的难题,为叠层光伏实用化提供了新路径。(199字)

1GW钙钛矿光伏生产基地落地湖南常德来源:湖南可再生能源学会 发布时间:2026-08-05 09:04:49

本文报道了湖南省在“项目大谋划、谋划大项目”行动中推进重大项目建设的最新进展。7月30日,湖南省发改委在长沙举办重大项目第二次路演活动,集中展示50个重点优质项目,涵盖主导产业升级、新质生产力培育和绿色低碳转型等领域。其中,炎和科技拟投资8亿元,在常德高新区建设总产能1GW的钙钛矿光伏生产基地,一期已建成全球首条100MW消费级钙钛矿光伏全自动黑灯工厂并投产,二期、三期正规划建设;岳阳临一云川高空风能发电装备制造项目二期总投资约10亿元,达产后年产高空风电装备超50台套,助力完善新能源装备制造产业链。湖南将持续强化要素保障与机制建设,推动优质项目落地转化。

格力电器申请异质结光伏电池片暗衰恢复方法专利,能够提高电池片的暗衰恢复的速率来源:金融界 发布时间:2026-08-04 08:44:36

格力电器申请了一项名为“一种异质结光伏电池片暗衰的恢复方法及系统”的发明专利(公开号CN122476711A),旨在提升异质结光伏电池片在发生光致衰减(暗衰)后的性能恢复效率。该方法通过三步协同处理:首先对暗衰电池片进行预处理;继而在光照和外加电流条件下,于其周围施加均匀磁场;最后检测性能以判定是否恢复合格。技术核心在于整合可控光照、动态温控与光照强度调节、电致发光辅助及磁场作用,促进内部缺陷修复、降低载流子复合率,从而显著加快暗衰恢复速率,增强光伏组件长期运行的稳定性。此举体现了格力在新能源领域关键技术布局的延伸。

中国拟恢复光伏电池和锂电池消费税 遏制行业过度竞争来源:商业周刊 发布时间:2026-07-20 15:03:30

中国拟自2026年起逐步恢复对光伏电池和锂离子电池征收消费税,以应对清洁能源行业长期存在的产能过剩与恶性竞争问题。根据财政部公告,2026年9月起对电动车及储能用锂离子电池开征2%消费税,2027年4月起对光伏电池同样征税;此后税率将分阶段提高至4%。此举逆转了2015年为扶持新能源产业而实施的消费税豁免政策。过去十年间,该免税政策助推中国企业在全球市场占据主导地位,但也导致国内重复建设、低效扩张和价格战频发。为此,监管部门已加强行业整合,限制无序扩产。值得注意的是,钙钛矿光伏电池、钠离子电池和固态电池等新兴技术产品,将在2025年9月至2028年底继续享受免税待遇。(199字)

刘珊珊
资深光伏媒体从业人
+关注
已关注