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發布日期 2019 年 04 月 29 日 14:41 | 作者 Daisy Chuang | 

咖啡應用多，除了可利用咖啡渣拿來製作鋰電池陰極，咖啡所含有的咖啡因也能助鈣鈦礦太陽能一臂之力。最近加州大學洛杉磯分校（UCLA）科學團隊從「喝咖啡」獲得靈感，研發出咖啡因─鈣鈦礦太陽能電池，有望進一步改善鈣鈦礦電池的熱穩定度，並再度提高轉換效率。

鈣鈦礦太陽能具有轉換效率高與低成本優勢，其轉換效率已在短短 10 年內躍升至 24% 以上，只可惜該太陽能電池不耐光、水與熱，難以跨越實驗室門檻，而 UCLA 台灣教授楊陽的團隊最近發現，咖啡因或許能解決鈣鈦礦電池熱穩定度低的問題。

說來有趣，一切研究都是從「許多人都用喝杯咖啡來提神，那鈣鈦礦太陽能是否也可以喝咖啡來醒腦？」這種彷彿研究到心累的玩笑開始，但他們又想到咖啡因的沸點約在 300°C 左右，遠高於太陽能電池的工作溫度，確實可以試一試。

過去研究通常是用二甲基亞碸等化合物來強化鈣鈦礦層的熱穩定度，從來沒有嘗試採用咖啡因，但團隊研究發現，咖啡因是種生物鹼化合物，可以跟鈣鈦礦材料的前體相互作用，進而形成鈣鈦礦電池的光吸收層。

因此團隊開始進行測試，在 40 個鈣鈦礦太陽能電池中添入咖啡因後，運用紅外線輻射來觀察咖啡因跟鈣鈦礦層的化學接合狀況，最後發現咖啡因中的羰基會跟鈣鈦礦層的鉛離子相互反應，形成暨穩定與強大的接合狀態「分子鎖」（molecular lock）。

這種反應有利於鈣鈦礦太陽能運作，將太陽能轉換效率從 17% 提高到超過 20% 之餘，也能提升太陽能的熱穩定度。團隊指出，咖啡因效果出乎意料得好，團隊在首次加入咖啡因後，就發現鈣鈦礦太陽能轉換效率已快達到過去研究的最高點。

目前團隊也有研製出咖啡因鈣鈦礦太陽能原型，他們在二甲基甲酰胺、甲基碘化銨和碘化鉛溶液中添入咖啡因之後，再以氧化銦錫玻璃為基板，打造出獨一無二的咖啡因鈣鈦礦薄膜，最後再將之整合進太陽能電池中。

為了測試其耐熱性，UCLA 團隊把咖啡因鈣鈦礦太陽能電池放在 85°C 的環境中，結果顯示，咖啡因鈣鈦礦電池熱穩定度相當不錯，維持長達 1,300 小時，功率轉換效率亦可達 86%。相較之下，傳統鈣鈦礦太陽能電池在 175 小時之後，功率轉換效率只剩下 60%，為 55 天與 7 天的巨大差距。

顯然咖啡因不只能讓人們提神，也可以幫助鈣鈦礦太陽能「醒腦」，楊陽表示，咖啡因產生的特殊化學效果將有助於加速鈣鈦礦太陽能的商業化進展，而咖啡因也是他們發現第一個具有如此功效的化學分子，未來還會持續尋找類似效果的化合物。

目前研究已發表在《Joule》。

Caffeine gives solar cells an energy boost
Solar cells (like people!) work better with caffeine
（首圖鑷子上的就是咖啡因鈣鈦礦太陽能電池，來源：UCLA）