灵感来自于大学生活中最关键的仪式之一：咖啡休息时间。“我们需要咖啡来增强我们的能量，” Rui Wang 告诉加州大学洛杉矶分校工程系的同校研究生 Jingjing Xue。 Wang 开玩笑地建议，也许我们应该给我们的实验性太阳能电池也注入咖啡因，让它们也能更好地工作。
Xue 的回应：这可能真的可行。
加州大学洛杉矶分校的工程师 Yang Yang，Wang 和 Xue 的研究生导师说，这是一个“纯粹的运气”的时刻。 Yang 的实验室一直在尝试通过用某些稳定化合物掺杂面板，来提高一种有前途但又不稳定的太阳能电池板（由一种叫做钙钛矿的材料制成）的寿命。“我们需要某种带有孤对电子的分子，” Yang 说。这种分子边缘的孤立电子对（咖啡因实际上具有这种特征）可以与钙钛矿等其他材料相互作用或结合。
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在这种情况下，“钙钛矿”一词指的是任何具有特定结构的晶体。它通常由廉价、常见的元素组成，如碘、铅和溴，并且在过去 10 年中一直是太阳能研究的宠儿。“这种材料被认为是奇迹，” Yang 说。在过去的十年中，钙钛矿研究面板的效率大大提高，从收集 1% 的可用太阳能提高到 20%。与硅（当今大多数商业太阳能电池板的核心材料）不同，钙钛矿很容易生长成活性层，当光线照射到它们时，就会产生电力。“一个高中生可以在我们的实验室里制造出好的钙钛矿太阳能电池，” Yang 说。
实验室中经过咖啡因处理的钙钛矿太阳能电池。 图片来源：Jingjing Xue
但是这种材料也非常不稳定。在太阳能电池中的每个钙钛矿晶体之间，都存在一个微小的边界，称为“晶界”。“那些是麻烦制造者，” Yang 说。如果晶体暴露在空气中，水分和氧气会侵蚀边界并破坏太阳能电池。 因此，Yang 说，太阳能电池“可能在一天内降解”。 如果钙钛矿要为未来的太阳能提供能量，研究人员将需要一种长期稳定电池的方法。
这就是咖啡因的作用所在。 世界上使用最广泛的精神活性药物恰好具有两个携带孤对电子的碳氧基团。“这可以锁定钙钛矿中的铅，” Yang 说。“当 [咖啡因] 锁定在钙钛矿晶体上时，它会稳定晶界并防止材料降解——而且太阳能电池具有更好的稳定性。”
为了测试这个想法，Yang 和他的学生们构建了一个钙钛矿太阳能电池板，并在晶体中添加了咖啡因。“对于钙钛矿，我们只是购买化学品并在我们的实验室的烧杯中混合它们。 这就像烹饪，” Yang 说。“然后我们在液体中加入少量咖啡因，并将它们均匀混合。” 最后，科学咖啡师将液体倒在玻璃上，形成一层钙钛矿晶体，这是指甲大小的太阳能电池的基础。
研究人员对该电池进行了分子分析，发现咖啡因与钙钛矿的铅原子结合。他们对其进行了测试，发现它能够稳定运行超过 1300 小时——并且效率比脱咖啡因面板更高。“它现在已经运行了数千小时，并且还在继续运行，” Yang 说。“而且 [咖啡因] 将效率从大约 16% 提高到 20%。” 该团队于周四在Joule上报告了这一发现。
Yang 说，虽然 20% 不是钙钛矿太阳能电池板所达到的最高效率，但研究结果表明，该化合物可能有助于稳定其他已达到更高效率的钙钛矿系统。 由两种不同类型的钙钛矿制成的串联或混合太阳能电池，在任何咖啡因提升之前，已经能够达到接近 30% 的效率。“串联太阳能电池就像双层巴士，” Yang 说。“任何有助于单层巴士的东西都可以帮助双层巴士。”
科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室的物理学家 Joseph Berry 说，咖啡因似乎使钙钛矿晶体在形成时，不像那些在没有药物的情况下生长的晶体那样“无序”，他没有参与这项研究。“一般来说，观点是，‘如果你使材料更完美，你就会得到一个性能更好的材料。’ 咖啡因在局部层面确保你得到一种结构更完善的材料，” 他说。“这会产生更稳定的设备。”
北卡罗来纳大学教堂山分校的物理学家 Jinsong Huang 说，这项研究令人印象深刻，他也未参与这项工作。 他认为这可能会推动钙钛矿太阳能电池更接近商业销售。“稳定性是 [钙钛矿电池] 进入市场我们需要克服的最后一个障碍，” Huang 说。“你可以用其他方式使太阳能电池更高效、更稳定。 但这是一个非常好的结果，它开启了我们对你从未想过会起作用的不同材料的思路。”
Berry 认为，这项研究还可以帮助研究人员弄清楚如何以可能指导未来研究的方式来操纵和工程化钙钛矿。“从根本上说，这些钙钛矿材料提供了一种无法比拟的功能。 我们才刚刚开始充分了解它们，以便开始对它们进行工程化，” 他说。“这就是为什么 Yang 的这些研究结果如此引人注目的原因。” 从这项新研究中获得的见解可能有助于科学家发现或设计出比咖啡因更能稳定钙钛矿太阳能电池的新分子。
另一方面，Berry 建议，也许根本没有更好的解决方案。“这是最好的解决方案吗？ 这很难说。 还有很多东西需要了解，” 他说。“但我的意思是，我们都喜欢咖啡因——所以也有这个原因。”