早晨开始艰难，尤其是如果您在五点半起床。 窗户外面下着雨，躲在伞下，几只百灵的脸都在工作，猫头鹰们按步调返回家中。 闹钟本质上是一个败类，其固有的准确性继续第三次响起。 由于某种原因，他似乎开始对此感到恼火和责备。 遵循《权力的游戏》中第三次守夜信号的规则，您需要在第三次通话时起床，并且像白人步行者一样向厨房走去。 水壶，杯子，糖，咖啡。 就是这样，早上正式开始了。
这篇简短的文章清楚地传达了我们许多人的上午时间。 它的主要属性是咖啡，没有咖啡，早晨则有时很难记住大脑在颅骨中的存在。 咖啡的提神作用是咖啡因刺激心理的结果。 我在说什么，一群科学家为了娱乐而决定使用咖啡因来改善光电池。 众所周知，在每个笑话中都有一些道理，因为这个有趣的想法在实践中产生了惊人的效果。 咖啡因在光电池中是如何实现的，哪些指标可以改进，以及这种改进有多大理由？ 我们将在科学家的报告中找到这些和其他问题的答案（不，不是在咖啡渣中）。 走吧
学习基础
正如我之前提到的，这项研究的真正起源是在实验室自助餐厅里喝一杯早晨咖啡来开玩笑。 但是，即使乍一看，如果科学家们没有尝试实现这样的目标，他们就不会是科学家。
除了咖啡因，主要的实验对象不是简单的光电管，而是钙钛矿。
光电管*是用于将光子能量（阳光）转换为电能的电子设备。
钙钛矿*是钛酸钙（CaTiO 3 ）的稀有矿物。
钙钛矿光电管基于钙钛矿卤化物的有机-无机混合物（以下
称为PVSK ）的材料。 PVSK是太阳能的真正突破，使用统计数据证实了这一点：2009年为3.8％，2018年底为23.3％。 但是，迄今为止，只有在实验室条件下才能为这种材料的成功感到高兴，因为长期稳定性方面的问题不允许其在太阳能电池的商业化生产中使用。 例如，在研究中流行的基于铯（Cs）和甲ami（FA）的PVSK在热力学性质方面无法在室温下正常工作。 但它可以基于甲基铵（PV）。
但这也不是那么简单：MA PVSK有机阳离子是易挥发的，这导致PVSK在高温下迅速分解并沉淀出三角碘化铅（PbI
2 ）。
PVSK内部的离子也存在问题。 研究人员给出了一个生动的例子：I-离子可以轻松穿过PVSK的多晶晶粒并超出PVSK层，然后在热能的作用下作用于金属电极上。 这会导致非辐射复合部分形式的缺陷。 此外，随机取向的PVSK晶粒会导致垂直方向上的弱电荷转移，这是PVSK薄膜快速且不受控制的生长过程的结果。
根据科学家的说法，改善基于PVSK的太阳能电池性能的绝大多数工作都是针对设备本身，其架构和结构的改进，而不是针对PVSK。
在同一项研究中，科学家将1,3,7-三甲基黄嘌呤（一种咖啡因的学名）（刘易斯结构和下面的
1A三维模型）应用于基于甲基铵（MA）的PVSK。 在各种化学条件下使用羧基，咖啡因成为一种与Pb
2+离子相互作用的“分子门”，从而减慢了PVSK晶体的生长。 另外，可以通过增加活化能来实现期望的取向。
结果，可以获得具有咖啡因的PVSK膜的优异的结晶度和较低的缺陷密度，以及更好的垂直电荷转移。 对于该技术，获得的性能系数（COP）以前是20.25％难以想象的。 至于设备的热稳定性，科学家设法在85°C的温度下保持1300个小时以上的稳定性。
这些都是非常好的结果，特别是考虑到这项研究的喜剧性根源。 现在，让我们仔细看看它是如何工作的。
研究成果
图片编号1图
1B显示了使用咖啡因（蓝线），纯MAPbI
3 （黑线）和使用咖啡因（红线）的MAPbI
3进行傅立叶变换的红外光谱结果。 与纯咖啡因中两个C = O键有关的拉伸振动出现在1.652 cm
-1和1,699 cm
-1处 。 当将咖啡因添加到MAPbI
3膜中时，观察到C = O的拉伸位移，频率从1.652到1.657 cm
-1较低，而振动模式C = O的1.699 cm
-1保持其原始值。 这表明咖啡因在退火后存在于MAPbI
3膜中，并且可能通过PVSK中的Pb
2+与咖啡因中的C = O键之一相互作用而与MAPbI
3形成了加合物。
为了进一步确认咖啡因对PVSK的作用，科学家对加合物PbI
2 -MAI-DMSO-咖啡因进行了光谱分析，该光谱还显示了C = O从1652到1643 cm
-1 （
1C ）的位移。
这些观察结果证实咖啡因中C = O与Pb
2+离子之间的相互作用形成了增加活化能的分子门。 而这又减慢了PVSK晶体的生长过程，从而改善了PVSK薄膜的整体结晶度。 另外，该分子门在加热时可能会与非晶态的PVSK相互作用，从而防止热分解。
图片编号2图像
2A是PVSK咖啡因膜的截面SEM图像。 进行了固定光致发光（
2B ）和时间分辨率光致发光（
2C ）衰减的变化，以研究膜的质量和电荷复合的动力学。 含咖啡因的PVSK膜（黑线）的光致发光强度是不含咖啡因的膜（红线）的光致发光强度的6倍。 还注意到从770nm到763nm的蓝移，这再次证实了在将咖啡因掺入PVSK膜结构期间缺陷数量的减少。
然后，进行X射线衍射分析以研究沉积在铟和氧化锡（
2D ）衬底上的PVSK膜的晶体结构。 对于含和不含咖啡因的薄膜，在12.5处未发现衍射峰，该峰对应于六角形PbI
2的（001）平面。 两种膜均显示相同的四方PVSK相，晶格的主要（110）反射率为13.9，这对于所研究的PVSK膜而言是极好的取向。 当添加咖啡因时，在13.9处的峰强度（110）与在31.8处的峰强度（222）的比率从2.00增加到2.43。 这表明吸收随机取向晶粒的（110）晶粒的生长更快。
还使用Scherrer公式和（110）峰的半峰宽度测量了晶粒尺寸。 随着咖啡因的引入，晶粒尺寸从37.97 nm增加到55.99 nm。
图
2E显示了沿着没有咖啡因（红线）和有咖啡因（黑线）的MAPbI
3膜的（110）平面的归一化方位角的图。 与无咖啡因的俘获剂相比，在90°的角度下，含咖啡因的薄膜显示出相当明显的峰。 较窄的半角宽表明咖啡因有助于PVSK晶粒沿平面的生长，从而改善了电荷转移。
然后，科学家对瞬态光电流（
TPC ）和瞬态光伏电压（
TPV ）进行了分析。
考虑到辊隙的平面结构来制作实验性的光电管，并且铟锡氧化物（ITO）充当阳极。 进而，将氧化锡纳米颗粒用作电子传输层。 纯MAPbI
3和含咖啡因的MAPbI
3均充当活性层。 空穴传输层（带正电荷的准粒子）的作用是由聚[双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺] [[C
6 H
4 N（C
6 H
2 （CH
3 ）
3 ）C
6 H
4 ]
n ）掺杂有4-异丙基-40-甲基二苯基-碘化四（五氟苯基）硼酸酯（C
40 H
18 BF
20 I）。 银（Ag）用作阴极。
图片编号3图像
3A显示了基于强度为100 mW / cm
2的人造太阳AM1.5G获得的基于纯MAPbI
3和MAPbI
3 /咖啡因的器件的JV曲线（电流密度，mA / cm
2 ）。 掺入系统中的咖啡因的百分比为总质量的0％至2％。
引入的咖啡因量增加到1％导致某些特性的增加，这些特性包括：开路电压（V
oc ），短路电流（J
sc ），占空比（FF）和再现性。
纯（不含咖啡因）MAPbI
3的最大效率（下表中的PCE）为17.59％（V
oc ：1.074 V，J
sc ：22.29 mA / cm
2 ，FF：73.46％）。 但是，当系统中的咖啡因含量为1％时，效率指数将上升至20.25％（V
oc ：1.143 V，J
sc ：22.97 mA / cm
2 ，FF：77.13％）。
科学家将V
oc和FF的增加归因于非辐射重组和结晶缺陷的减少，这是由于咖啡因掺入系统而钝化的结果。 参数J
Sc也从22.29mA增加到22.97mA / cm
2 （图
3B ）。
为了更详细地研究咖啡因对系统性能的影响，科学家对含和不含咖啡因的太阳能电池的电荷转移和电荷重组动力学进行了比较分析。 分析显示（
3C ），带有咖啡因的设备的电荷重组寿命（t
r ）（285 ms）明显比没有咖啡因的设备的电荷重组寿命（157 ms）长。 由此可见，缺陷的浓度要低得多。 在这种情况下，将咖啡因添加到设备中时的电荷转移时间（t
t ）从2.67毫秒减少到2.08毫秒。
指标表取决于咖啡因的浓度。为了确认咖啡因在热分解过程中的分子关闭效应，科学家对耐恒定热负荷进行了测试：在氮介质中为85°C。
含咖啡因的装置显示出出色的热稳定性，在1300小时后仍保持原始效率的86％。 但是，在相同条件下脱咖啡因的设备仅保留一次效率的60％。 科学家将其归因于高温下纯MAPbI
3的离子迁移，不良结晶和相不稳定性。
图片编号4科学家需要从离子迁移和相分解的角度更详细地了解咖啡因对太阳能电池功能的影响。 为此，在热稳定性测试之后对器件进行X射线衍射分析（
4B ）。
不含咖啡因的装置在12.5点处显示出一个相当大的峰值，与六边形PbI
2的（001）平面相关。 13.9处的非常弱的衍射意味着PVSK晶体完全降解。 但是，相对于PbI
2的（003）平面观察到了相对较强的38.5衍射。
如前所述，由于添加了咖啡因，PVSK的结晶度非常好，可以防止离子在加热过程中迁移。 对咖啡因和加合物进行热重分析，以建立咖啡因的相稳定性和热性质以及加合物的中间相。 图
4C和
4D显示了咖啡因，纯PVSK和PVSK +咖啡因的质量损失和热通量。
分析表明，咖啡因在约285°C的温度下会完全分解，而在低于200°C的温度下则表现出出色的热稳定性。 在图4C上，我们可以看到纯PVSK的质量损失分为三个阶段：70°C，340°C和460°C。 这是由于分别升华了DMSO，MAI和PbI
2 。 对于PVSK +咖啡因，MAI和PbI
2的升华温度明显更高，表明需要更多的能量来打破咖啡因与PVSK之间的键。 对热通量（
4D ）的分析支持了这一说法。 因此，咖啡因和PVSK之间的键形成分子门，从而增加了加热过程中所需的衰变活化能速率。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我强烈建议您研究一下
科学家的
报告和
其他补充材料 。
结语
这项研究表明，在PVSK材料中引入咖啡因可以高效获得光电电池，减少离子迁移，减少缺陷数量并增强热稳定性。 PVSK材料的使用在不久之前就开始了，但是已经被认为是最有前途的太阳能领域。 这意味着，如果我们想以低成本获得高性能的设备，则有必要改进该技术的各个方面。 这项工作仅与针对此的研究有关。
咖啡因在太阳能电池的开发中听起来像是在开玩笑，早上在实验室里喝一杯咖啡就像在开玩笑。 但是笑话对科学家来说是不好的，如果您运用知识，独创性和一点点创新的方法，即使是最奇怪的想法，任何笑话都可以产生出色的结果。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。
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