Niet alleen mensen halen energie uit een kopje koffie.

Het begon met een grap over koffie, herinnert onderzoeker Jingjing Xue zich. “Op een dag, toen we perovskiet-zonnecellen bespraken, zei onze collega: als wij koffie nodig hebben voor een energieboost, hoe zit het dan met perovskiet? Zouden zij ook koffie nodig hebben om beter te presteren?” De opmerking leidde echter tot een eureka moment.

Meer over perovskiet-zonnecellen
Perovskiet is een veelbelovend materiaal voor zonnecellen. Het materiaal blijkt namelijk goed zonlicht om te kunnen zetten in energie. Daarnaast is het ook wat goedkoper en flexibeler dan andere zonnecellen – zoals bijvoorbeeld zonnecellen van silicium – en zijn ze gemakkelijker te fabriceren. Echter zijn we er nog niet; zo moeten er eerst nog wat problemen overkomen worden voordat perovskiet daadwerkelijk efficiënt genoeg is om met andere zonnecellen te concurreren. In die zoektocht, probeerden wetenschappers eerder al verbindingen zoals dimethylsulfoxide. Maar tot op heden blijkt het lastig om de cellen en de stabiliteit op lange termijn te verbeteren. Echter had niemand nog cafeïne geprobeerd.

Cafeïne
In koffie zit cafeïne. En dit is een verbinding die moleculaire structuren bevat die een wisselwerking aangaan met de voorlopers van perovskiet. Om dit verder uit te zoeken, namen de onderzoekers veertig zonnecellen en voegden cafeïne toe aan de perovskietlaag. Vervolgens gebruikten ze infraroodspectroscopie om vast te stellen of de cafeïne zich met succes aan het materiaal had gehecht.


Op deze foto zijn de zonnecellen te zien waarvan de onderzoekers de prestaties met cafeïne wisten te verbeteren. Afbeelding: Rui Wang and Jingjing Xue

Efficiënter
De onderzoekers kwamen erachter dat de cafeïne een wisselwerking aangaat met loodionen in de perovskietlaag. En hierdoor worden de zonnecellen efficiënter in het omzetten van licht in elektriciteit. Zo werd de efficiëntie van een zonnecel van 17 procent, tot meer dan 20 procent verhoogd. “We waren verrast door de resultaten,” zegt onderzoeker Rui Wang. “Tijdens onze eerste poging met cafeïne bereikten de perovskiet-zonnecellen al bijna de hoogste efficiëntie die we gedurende de hele studie wisten te bereiken.”

Verbeteren
De cafeïne lijkt dus met succes de werking van perovskiet-zonnecellen te verbeteren. Maar de onderzoekers denken niet dat dezelfde aanpak ook voor andere soorten zonnecellen geldt. De unieke moleculaire structuur van cafeïne maakt het waarschijnlijk alleen mogelijk om een wisselwerking aan te gaan met perovskiet. En dit is markttechnisch gezien natuurlijk erg in zijn voordeel.

Wang is van mening dat de de nieuwe aanpak grote implicaties kan hebben voor de toekomst. “Cafeïne kan de perovskiet helpen om een goede stabiliteit te bereiken,” zegt hij. “Dit betekent dat het mogelijk een rol kan spelen in de schaalbare productie van perovskiet-zonnecellen.” De bevindingen zijn gepubliceerd in het vakblad Joule.