Es war ein Witz: Forscher arbeiten an den Solarzellen der Zukunft, die aus dem Mineral Perowskit bestehen. Aktuell sind diese noch empfindlich – und so entsprang am Frühstückstisch der Witz 'geben wir den Zellen doch einen Schluck Kaffee, damit sie besser durchhalten'. Der Witz erwies sich als Ansatz, der funktionierte.
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Das Ganze ist Forschern der University of California in Los Angeles, um den Wissenschaftler Rui Wang passiert. Das Ganze wurde in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht. Die Kernbotschaft:
- Koffein erhöht sowohl die thermische Stabilität als auch die Effizienz von Solarzellen aus dem Mineral Perowskit.
- Der stabilisierte Energieumwandlungswirkungsgrad der so behandelten Solarzellen von 19,8% konnte erreicht werden.
- Es wurden thermisch stabile Solarzellen gefertigt, die bei 85°C für über 1.300 Stunden funktionierten.
Das Magazin Science hat das vor einigen Tagen in einem Artikel aufgegriffen. Die Idee begann als Witz beim Morgenkaffee. "Eines Tages, als wir über Perowskitsolarzellen sprachen, sagte unser Kollege Rui Wang: 'Wenn wir Kaffee brauchen, um unsere Energie zu erhöhen, was ist dann mit Perowskiten? Würden sie Kaffee brauchen, um bessere Leistungen zu erbringen?'", erinnert sich Jingjing Xue, Doktorand in der Forschungsgruppe von Professor Yang Yang Yang am Department of Materials Science and Engineering an der UCLA.
(Kaffee-Bohnen, Quelle: Günter Born)
Der flapsige Kommentar brachte das Team dazu nachzudenken. Denn das Koffein im Kaffee ist eine Alkaloidverbindung. Diese enthält Molekularstrukturen, die mit den Vorläufern von Perowskit-Kristallen interagieren könnten. Diese Materialen bilden in Verbindungen mit einer bestimmten Kristallstruktur die lichtempfindliche Schicht in einer Klasse von Solarzellen. Bisherige Versuche, die thermische Stabilität dieser Solarzellen zu verbessern, umfassten die Verbesserung der Perowskitschicht durch die Einführung von Verbindungen wie Dimethylsulfoxid. Die Forscher versuchen damit, die Effizienz und Langzeitstabilität der Zellen zu erhöhen. Niemand hatte bisher Koffein ausprobiert.
Als die Forscher merkten, dass sie mit dem Denkansatz auf etwas verheißungsvolles gestoßen waren, begann das Team weiter zu recherchieren. Sie fügten der Perowskitschicht von vierzig Solarzellen Koffein hinzu. Anschließend benutzten die Infrarotspektroskopie (die Infrarotstrahlung zur Identifizierung chemischer Verbindungen verwendet), um festzustellen, ob das Koffein erfolgreich mit dem Material verbunden war.
Bei Tests beobachteten sie, dass die Carbonylgruppen (ein doppelt an einen Sauerstoff gebundenes Kohlenstoffatom) im Koffein mit den Bleiionen in der Schicht interagierten, um eine "molekulare Sperre" zu erzeugen. Diese Interaktion erhöhte den minimalen Energiebedarf für die Reaktion der Perowskitfolie und steigerte den Wirkungsgrad der Solarzelle von 17 Prozent auf über 20 Prozent. Die molekulare Sperre trat beim Erwärmen des Materials weiterhin auf, was dazu beitragen könnte, dass Hitze die Schicht nicht zerstört.
"Wir waren von den Ergebnissen überrascht", sagt Wang, der auch Doktorand in der Forschungsgruppe von Yang an der UCLA ist. "Bei unserem ersten Versuch, Koffein einzubauen, erreichten unsere Perowskitsolarzellen bereits fast den höchsten Wirkungsgrad, den wir auf dem Papier errechnet hatten." So führte ein Witz über Kaffee möglicherweise zur Solarzelle der Zukunft. Bei Interesse, deutschsprachige Beiträge sind hier und hier und hier erschienen.
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