加州大學洛杉磯分校(UCLA)和SolargigaEnergy的科學家王睿(音譯)和薛晶晶(音譯)發現，咖啡因可以幫助制造一種很有前景的替代傳統太陽能電池的產品，這種產品在光能轉換方面效率更高。他們的研究發表在4月25日的《焦耳》(Joule)雜志上，該研究可能使這種低成本的可再生能源技術能夠在市場上與硅太陽能電池競爭。

這個主意開始于早上喝咖啡時的一個笑話。一天，當我們正在討論鈣鈦礦太陽能電池時，我們的同事王睿(音譯)說，如果我們需要咖啡來補充能量，那么鈣鈦礦呢？他們需要咖啡來提高表現嗎？薛晶晶(音譯)回憶道，她是加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系楊洋(音譯)教授研究組的博士生。

這句隨口的評論讓研究團隊回想起，咖啡中的咖啡因是一種生物堿化合物，含有分子結構，可以與鈣鈦礦材料的前體相互作用——這種化合物具有特定的晶體結構，在一類太陽能電池中形成光收集層。此前，提高這些太陽能電池熱穩定性的嘗試包括通過引入二甲基亞砜等化合物來增強鈣鈦礦層，但研究人員一直難以提高電池的效率和長期穩定性。沒有人嘗試過咖啡因。

意識到他們可能發現了什么，團隊把咖啡放在一邊，開始進一步調查。他們將咖啡因添加到40個太陽能電池的鈣鈦礦層中，并使用紅外光譜(利用紅外輻射識別化合物)來確定咖啡因已經成功地與材料結合。

通過進一步的紅外光譜測試，他們發現咖啡因中的羰基(一個碳原子與一個氧雙鍵)與該層中的鉛離子相互作用，形成了一個分子鎖。這種相互作用增加了鈣鈦礦薄膜反應所需的最低能量，將太陽能電池的效率從17%提高到20%以上。當材料被加熱時，分子鎖會繼續發生，這有助于防止熱量分解。

這張照片顯示了研究人員用咖啡因增強的太陽能電池。(RuiWangandJingjingXue)

“我們對結果感到驚訝，”王說，他也是加州大學洛杉磯分校楊研究組的博士生。在我們第一次嘗試加入咖啡因的過程中，我們的鈣鈦礦太陽能電池已經達到了我們在論文中達到的最高效率。

但是，盡管咖啡因似乎顯著提高了利用鈣鈦礦電池吸收陽光的性能，研究人員并不認為它會對其他類型的太陽能電池有用。咖啡因獨特的分子結構只允許它與鈣鈦礦前體相互作用，這可能使這種太陽能電池品種在市場上具有優勢。鈣鈦礦太陽能電池已經具有比硅電池更便宜、更靈活的優勢。它們也更容易制造——鈣鈦礦電池可以由基于溶液的前驅體制成，而不是固體晶體錠。隨著研究的深入，王相信咖啡因可以促進鈣鈦礦太陽能電池的大規模生產。

咖啡因可以幫助鈣鈦礦達到高結晶度、低缺陷和良好的穩定性，他說。這意味著它可能在鈣鈦礦太陽能電池的規模化生產中發揮作用。

為了繼續提高太陽能電池的效率和穩定性，研究小組下一步計劃進一步研究含有咖啡因的鈣鈦礦材料的化學結構，并確定鈣鈦礦最好的保護材料。