ソーラーコーヒー：カフェインによる太陽電池の効率の向上

特に朝5時半に目覚めた場合、朝は激しく始まります。 窓の外では雨が降り、傘の下に数匹のひばりが顔を出して仕事をし、フクロウが少しずつ家に帰ります。 本質的にスカムである目覚まし時計は、固有の精度で3回鳴り続けます。 そして、何らかの理由で、彼はいらだちと非難でこれをしているように見え始めます。 Game of Thronesからの3番目の夜の監視信号のルールを観察すると、3番目の呼び出しでベッドから出て、白人の歩行者のように台所に向かって歩き回る必要があります。 やかん、カップ、砂糖、コーヒー。 朝が正式に始まりました。



この短いエッセイは、私たちの多くの朝のルーチンを明確に伝えています。 そして、その主な属性はコーヒーであり、それなしでは朝には頭蓋内の脳の存在を思い出すのが難しい場合があります。 コーヒーの爽快な効果は、カフェインの精神刺激効果の結果です。 私は何を話しているのでしょうか？科学者グループは、楽しみのために、カフェインを使用してフォトセルを改善することにしました。 そして、私たちが知っているように、すべてのジョークには真実があります。この面白いアイデアが実際に驚くべき結果をもたらしたからです。 カフェインはフォトセルにどのように実装されましたか、どの指標が改善されることが判明し、そのような改善はどの程度正当化されましたか？ 科学者によるレポートで、これらの質問やその他の質問に対する答えを見つけます（コーヒー場ではありません）。 行こう

研究の基礎

先に述べたように、この研究は本当に実験室のカフェテリアで朝のコーヒーを飲みながらの冗談として始まりました。 しかし、一見するとばかげているとはいえ、科学者はそのようなものを実装しようとしなければ、科学者ではありません。



カフェインに加えて、主な実験的なものは単純な光電池ではなく、ペロブスカイトでした。

フォトセル*は、光子エネルギー（太陽光）を電気エネルギーに変換する電子デバイスです。

ペロブスカイト*は、チタン酸カルシウム（CaTiO ₃ ）のまれな鉱物です。

ペロブスカイト光電池は、ペロブスカイトハライドの有機-無機ハイブリッド（以降、 PVSK ）の材料に基づいています。 PVSKは太陽エネルギーの真の進歩であり、使用統計で確認されています：2009年に3.8％、2018年末に23.3％。 ただし、長期安定性の問題により太陽電池の商業生産に使用できないため、これまでのところ、この材料の成功は実験室条件でのみ喜ばれています。 たとえば、研究で一般的なセシウム（Cs）およびホルムアミジニウム（FA）に基づくPVSKは、熱力学的特性の観点から室温では正常に機能しません。 ただし、メチルアンモニウム（PV）ベースのPVSKは使用できます。



しかし、これもそれほど単純ではありません。MAPVSK有機カチオンは揮発性であるため、高温でPVSKが急速に分解され、三方晶系ヨウ化鉛（PbI ₂ ）が沈殿します。



PVSK内のイオンにも問題があります。 研究者は、鮮明な例を挙げます。I-イオンは、PVSKの多結晶粒子を簡単に通過してPVSK層を超え、熱エネルギーの影響下で金属電極に作用します。 これは、非放射再結合のセクションの形で欠陥を引き起こします。 さらに、ランダムに配向したPVSK粒子は、垂直方向の電荷移動が不十分になる可能性があります。これは、PVSKフィルムの高速で制御されない成長プロセスの結果です。



科学者によると、PVSKベースの太陽電池の性能を向上させるための圧倒的多数の研究は、PVSKではなく、デバイス自体、そのアーキテクチャおよび構造の改善を目的としていました。



同じ研究で、科学者たちは、カフェイン（ルイス構造と以下の1A 3次元モデル）の空想的な科学名である1,3,7-トリメチル-キサンチンを、メチルアンモニウム（MA）に基づくPVSKに適用しました。 さまざまな化学条件下でカルボキシル基を使用することで、カフェインはPb ^2+イオンと相互作用し、PVSK結晶の成長を遅らせる一種の「分子ゲート」になりました。 さらに、活性化エネルギーを増加させることにより、所望の配向を達成することができました。



その結果、カフェイン含有PVSKフィルムの優れた結晶性と欠陥密度の低減、およびより優れた垂直電荷移動を実現することができました。 また、得られた性能係数（COP）は、このテクノロジーでは20.25％とは考えられませんでした。 デバイスの熱安定性に関しては、科学者は1300時間以上にわたって85°Cの温度で安定性を達成することができました。



これらは、特にこの研究のコミックのルーツを考えると、本当に素晴らしい結果です。 それでは、どのような仕組みでどのように機能したかを詳しく見ていきましょう。

調査結果

イメージNo. 1



図1Bは、カフェインのフーリエ変換（青線）、純粋なMAPbI ₃ （黒線）、およびカフェイン付きMAPbI ₃ （赤線）を使用した赤外線分光法の結果を示しています。 純粋なカフェインの2つのC = O結合に関連する伸縮振動は、1.652 cm ^-1および1,699 cm ^-1に現れます。 カフェインをMAPbI ₃フィルムに添加すると、1.652から1.657 cm ^-1の低い周波数でC = Oの伸縮シフトが観察されましたが、1.699 cm ^-1の振動モードC = Oは元の値を保持します。 これは、アニーリング後にMAPbI ₃フィルムにカフェインが存在し、PVSKのPb ²⁺とカフェインのC = O結合の1つとの相互作用によりMAPbI ₃との付加物を形成した可能性があることを示しています。



PVSKに対するカフェインの効果をさらに確認するために、科学者はPbI ₂ -MAI-DMSO-カフェイン付加物分光法を実施し、1652から1643 cm ^-1 （ 1C ）へのC = Oストレッチシフトも示しました。



これらの観察により、カフェインのC = OとPb ^2+イオンの相互作用が、活性化エネルギーを増加させる分子ゲートを形成することが確認されます。 これにより、PVSK結晶成長プロセスが遅くなり、PVSKフィルムの全体的な結晶性が向上します。 さらに、この分子ゲートは加熱時にアモルファス化されたPVSKと相互作用し、熱分解を防ぐことができます。





イメージNo. 2



画像2Aは、PVSKカフェインフィルムの断面SEM画像です。 定常光ルミネセンス（ 2B ）および時間分解光ルミネセンス（ 2C ）の減衰の変化を行って、膜の品質と電荷再結合のダイナミクスを研究しました。 カフェイン含有PVSKフィルムの光ルミネセンス強度（黒い線）は、カフェインフリーフィルムの光ルミネセンス強度（赤い線）よりも6倍高かった。 770 nmから763 nmへのブルーシフトも確認されました。これは、カフェインをPVSKフィルムの構造に組み込む際の欠陥数の減少をもう一度確認します。



次に、酸化インジウムスズ（ 2D ）の基板上に堆積したPVSKフィルムの結晶構造を調べるために、X線回折分析が行われました。 また、カフェインを含むフィルムと含まないフィルムでは、12.5に回折ピークは見つかりませんでした。これは、六角形のPbI _2の （001）面に対応します。 両方のフィルムは、13.9の格子の優勢な（110）反射を持つ同じ正方晶PVSK相を示しました。 カフェインを添加すると、13.9のピーク強度（110）と31.8のピーク強度（222）の比が2.00から2.43に増加しました。 これは、ランダムに配向した粒を吸収する（110）粒のより速い成長を示します。



粒度は、シェラーの式と（110）ピークの半値幅を使用して測定されました。 カフェインの導入により、粒径は37.97 nmから55.99 nmに増加しました。



図2Eは、カフェインなし（赤線）とカフェインあり（黒線）のMAPbI ₃フィルムの（110）面に沿った正規化された方位角のグラフを示しています。 90°の角度では、カフェインを含まないフィルムは、カフェインを含まないキャプティブと比較して、かなり顕著なピークを示します。 半値幅が狭いことは、カフェインが平面に沿ったPVSK粒子の成長に寄与し、電荷移動が改善されたことを示唆しています。



次に、科学者は過渡光電流（ TPC ）および過渡光起電力（ TPV ）の分析を実施しました。



実験用フォトセルは、ニップの平面構造を考慮して製造され、酸化インジウムスズ（ITO）がアノードとして機能しました。 次に、酸化スズナノ粒子が電子輸送層として使用されました。 純粋なMAPbI ₃とカフェイン含有MAPbI _3の両方が活性層として機能しました。 正孔輸送層（正電荷を持つ準粒子）の役割は、ポリ[ビス（4-フェニル）（2,4,6-トリメチルフェニル）アミン]（[C ₆ H ₄ N（C ₆ H ₂ （CH ₃ ） ₃ ）C ₆ H ₄ ] _n ）4-イソプロピル-40-メチルジフェニル-ヨードニウムテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボレート（C ₄₀ H ₁₈ BF ₂₀ I）でドープ。 陰極には銀（Ag）を使用しました。





イメージNo. 3



画像3Aは、100 mW / cm ^2の強度の人工太陽AM1.5Gを使用して得られた純粋なMAPbI ₃およびMAPbI ₃ /カフェインに基づくデバイスのJV曲線（電流密度、mA / cm ² ）を示しています。 システムに組み込まれたカフェインの割合は、総質量の0〜2％の範囲でした。



導入されるカフェインの量が1％増加すると、いくつかの特性、すなわち、開回路電圧（V _oc ）、短絡電流（J _sc ）、デューティサイクル（FF）、および再現性が増加しました。



純粋な（カフェインを含まない）MAPbI ₃の最大効率（下表のPCE）は17.59％（V _oc ：1.074 V、J _sc ：22.29 mA / cm ² 、FF：73.46％）でした。 しかし、システムにカフェインが1％の場合、効率指数は20.25％に増加しました（V _oc ：1.143 V、J _sc ：22.97 mA / cm ² 、FF：77.13％）。



科学者は、V _ocおよびFFの増加は、非放射性再結合と結晶欠陥の減少に起因すると考えています。これは、システムへのカフェインの取り込みによる不動態化の結果です。 パラメータJ _Scも22.29から22.97 mA / cm ^2に増加しました（グラフ3B ）。



システム性能に対するカフェインの効果のより詳細な研究のために、科学者は、カフェインの有無による太陽電池の電荷移動と電荷再結合の速度論の比較分析を実施しました。 分析により、カフェイン（285 ms）を含むデバイスの電荷再結合の寿命（t _r ）は、カフェインを含まない（157 ms）よりもはるかに長いことが示されました（ 3C ）。 このことから、欠陥の濃度ははるかに低いことがわかります。 この場合、カフェインをデバイスに追加したときの電荷転送時間（t _t ）は2.67ミリ秒から2.08ミリ秒に減少しました。





カフェインの濃度に応じた指標の表。



熱分解の過程でフォトセル内のカフェインの分子シャッターの効果を確認するために、科学者は一定の熱負荷に対する耐性のテストを実施しました：窒素媒体で85°C。



カフェイン付きデバイスは優れた熱安定性を示し、1300時間後に元の効率の86％を維持しました。 しかし、同じ条件下でカフェインを除去したデバイスは、主要効率の60％しか保持していませんでした。 科学者は、これが高温での純粋なMAPbI _3のイオン移動、不十分な結晶化、および相不安定性に起因すると考えています。





イメージNo.4



科学者は、イオン移動と相分解の観点から太陽電池の機能に対するカフェインの影響をより詳細に理解する必要がありました。 これを行うために、熱安定性試験後にデバイスのX線回折分析（ 4B ）を実施しました。



カフェインを含まないデバイスは、六角形PbI _2の （001）面に関連する12.5にかなり大きなピークを示しました。 13.9での非常に弱い回折は、PVSK結晶の完全な劣化を意味します。 しかし、PbI _2の （003）面に対して38.5の比較的強い回折が観察されました。



前述したように、カフェインの添加によるPVSKの非常に良好な結晶性は、加熱中のイオンの移動を防ぐはずです。 カフェインと付加物の熱重量分析を実施して、カフェインと付加物の中間相の相安定性と熱特性を確立しました。 グラフ4Cおよび4Dは、カフェイン、純PVSKおよびPVSK +カフェインの質量損失と熱流束を示しています。



分析の結果、カフェインは約285°Cの温度で完全に分解する一方、200°C未満の温度では優れた熱安定性を示しました。 グラフ4Cでは、70°C、340°C、および460°Cの純PVSKの質量損失の3つの段階を見ることができます。 これは、それぞれDMSO、MAI、およびPbI ₂の昇華によるものです。 PVSK +カフェインのMAIおよびPbI ₂の昇華温度は著しく高く、カフェインとPVSKの間の結合を切断するためにより多くのエネルギーが必要であることを示しています。 このステートメントは、熱流束の分析（ 4D ）によってサポートされています。 したがって、カフェインとPVSKの接続は分子ゲートを形成し、加熱中に必要な崩壊活性化エネルギーの割合を増加させます。



この研究のニュアンスをさらに詳しく知りたい場合は、科学者のレポートと追加資料を参照することを強くお勧めします。

エピローグ

この研究は、PVSK材料にカフェインを導入することにより、高効率の光電セルを得ることができ、イオン移動を減らし、欠陥の数を減らし、熱安定性を高めることを示しました。 PVSK材料の使用はそれほど前から始まっていませんが、太陽エネルギーの最も有望な分野と見なされています。 そして、これは、低コストで高性能のデバイスを入手したい場合、この技術のすべての側面を改善する必要があることを意味します。 この作品は、まさにこれを目指した研究に関連しています。



太陽電池の開発にカフェインを使用することは冗談のように聞こえますが、それは朝の実験室でコーヒーを飲みながらの冗談でした。 しかし、ジョークは科学者にとっては悪いことであり、知識、創意工夫、少し創造的なアプローチを適用すれば、どんな奇妙なアイデアでも素晴らしい結果をもたらすことができます。



ご静聴ありがとうございました。好奇心を保ち、良い週をお過ごしください。



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