一个平常的下午，西湖大学“编辑部”的邮箱里弹出了一封邮件——

“来了个A类科研成果。”

“谁啊？”

“王睿。”

“又是王睿？”众人异口同声。

王睿，一位自2021年4月正式加入西湖大学工学院以来，就在编辑们耳边高频出现的PI。不仅仅是我们，关注西湖成长的每一个人，都可能会觉得这个名字“很熟”、“好像在哪里见过”。

就在一个多月以前，阿里巴巴达摩院公布了2023年“青橙奖”获奖名单。王睿，是西湖大学入选本次名单的两位青年学者之一（另一位是明升m88app学院PI刘晓东）。

把日历再往前翻翻。2022年夏，《麻省理工科技评论》公布了当年的Innovators Under 35（全球“35 岁以下科技创新 35 人”），时年29岁的博导王睿入选。2021年秋，福布斯明升中国发布了这一年的30 Under 30榜单，在app和医疗健康30人名单里，也出现了一个叫王睿的名字……

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在西湖校内，还有很多师生曾听过“一杯咖啡激发科研灵感”的故事。这个故事的主人公，也是王睿。

2018年，在加州大学洛杉矶分校攻读博士学位期间，他突发奇想地把喜爱的咖啡加入到钙钛矿太阳能电池中，“咖啡可以让人们情绪稳定，那么能不能让钙钛矿的‘情绪’也变得更稳定呢？”然后，他们果然发现电池的输出功率大大提高了，这一成果也发表在《焦耳》上。

从美国加州走向明升中国杭州，今年，王睿带领西湖大学的实验室团队，在钙钛矿太阳能电池的性能方面续写突破。

北京时间2月12日晚，西湖大学工学院王睿实验室最新成果，强π-共轭型路易斯碱钝化剂重度钝化钙钛矿表面、用于长久稳定基于spiro-OMeTAD的正式器件，以“Enhanced passivation durability in perovskite solar cells via concentration-independent passivators”为题在线发表于《焦耳》。该研究通过设计分子共轭面积，增强分子间的π-π相互作用，以最大限度地抑制高浓度下钝化剂分子对钙钛矿晶格的侵蚀，同时最大程度地形成有序的π-π堆砌，保证界面电荷的顺利传输。

王睿实验室中的钙钛矿电池样品

简单来讲，他们发现了一种熟悉的“老分子”的“新性质”：作为钙钛矿电池的缺陷钝化剂，能在高浓度下使用、不会“损伤”电池性能；这样，随着器件运行时间的延长，储备的钝化剂分子能够继续“处理”电池运行后新产生的缺陷，从而提高器件的使用寿命。

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原文链接：

你可能想问，什么叫电池表面的缺陷？什么又叫钝化剂？

一切要从钙钛矿电池的“模样”说起。

近年来，我们多多少少会在手机版报道中见到过“明星材料”钙钛矿电池的身影。作为明升中国许多城市和乡村中随处可见的“蓝色屋顶”——硅太阳能电池——被寄予厚望的接班者，钙钛矿电池同样能够将光能转化为电能，并在实验室实现了单片小面积的光电转化率达到25%甚至更高，比肩硅太阳能电池四十年的发展速度。

图1 钙钛矿结构示意

这类电池的核心是钙钛矿分子，它有着独特的ABX3结构：A和B为阳离子，元素周期表中90%的金属元素都可以充当A或B；X是阴离子，由卤素元素（包括氟、氯、溴、碘等）担当。这些离子构成了一个八面体，也就是一个立方晶格，有点像一个独立的积木结构。当离子的元素成分不同时，这个“部件组合”会有不同的性能和效果。而无数的钙钛矿分子“聚拢”时，会构成更大的、规整的立体结构，就像无数的同形状的积木结构整齐堆叠在一起。这，就是钙钛矿电池“万变不离其宗”的“模样”。

完美的钙钛矿分子，应该拥有上述那样的八面体晶格结构，但现实里制备钙钛矿电池的过程中，经常会发生“缺失”，比如缺一个A离子、少一个B离子——这样的情况，被统称为缺陷。

有缺陷，肯定要克服，怎么办？靠“钝化”。所谓钝化，可以简化理解为让“缺失”的部位补上，或者是让这个缺失更难形成，机理主要是路易斯酸碱理论。目前研究中所使用的钝化剂，有很多类型，但无论是固体、液体或者气体的形态，都会被“滴”在钙钛矿薄膜表面。这个“补位”的过程，也就是缺陷钝化。所有的钙钛矿电池，都必须要历经这一步，才能“完美出厂”。

王睿实验室的这项最新研究成果，正与钙钛矿电池制备中这关键的一步相关。他们针对该过程中一个长期被人“忽视”的事实，提出了创新性的解决方案——

事实上，伴随着电池器件运行时间的延长，钙钛矿电池表面的缺陷“浓度”也会随之增加。也就是说，电池会产生“计划外”的缺陷——比如，放在在太阳光下照射，某些离子有可能会产生迁移；同时，使用时间长了，也可能会产生新的缺陷。大家都使用过电器，可以把这块电池想象为电器，“年久”了，总是容易“失修”。

目前，钝化剂浓度通常是针对新鲜制备的器件“设计”的。为了尽可能不损伤电池，浓度也被保持在一个尽可能低的数量级。但显然，初始低浓度的钝化剂无法持续钝化越来越多新产生的缺陷。原则上，如果起初使用高浓度的钝化剂，或许可以在后续新缺陷出现时对它们进行处理。但这一策略至今尚未取得成功，因为高浓度的钝化剂，往往对器件性能有害。

关于钙钛矿电池的这个事实，好似成了“房间里的大象”：人人都知道它存在，但没有理想的解决办法。

这一次，王睿实验室找到了突破口。

在使用一系列分子作为电池钝化剂的测试实验中，研究团队敏锐地察觉到了有一类分子，电池对它的浓度“不敏感”：具有最强π共轭的三联吡啶分子。

他们将这类分子作为钝化剂，并把分子的浓度提高到了常规使用浓度的20倍（即100 mM）。通过理论计算模拟、飞行时间二次离子质谱和掠入射X射线衍射的验证手段，他们“看到”，即便在高浓度的情形下，这类分子也可以有序地堆砌在钙钛矿表面，对钙钛矿的晶格破坏小，且其堆砌的方向，有利于界面电荷的提取和传输。

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图2 基于不同π共轭结构Lewis base的钝化效果和光伏响应

回到积木的比拟，可以想象，高浓度的钝化剂分子，像另一种形态的“小积木”，虽然数量大，但“乖乖”地有序“斜铺”在“大积木”钙钛矿电池的顶端，不影响大积木的结构。同时，各块“小积木”之间的空间缝隙，又适合电荷“钻入”和“钻出”电池，不妨碍电池本身的效率。而这种分子，也可以完成钝化缺陷的本色使命，当“大积木”出现错误，它们能及时修正。这是不是很完美？

总之，三联吡啶分子的这种独特的特性，能在不降低电池器件性能的情况下，对钙钛矿进行高浓度钝化，从而大大提高了钝化效果的耐久性。因此，经三联吡啶钝化的钙钛矿器件，它的光电转换效率，对所使用的钝化剂浓度依赖小。

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图3 提高钝化持久性实现高稳定钙钛矿器件

在钙钛矿太阳能电池界，“评优”的指标有两项：光电转换效率和器件稳定性。那么，王睿团队开发的使用了这种新型钝化剂的钙钛矿电池，成绩如何呢？

实验数据显示，经过三联吡啶处理的钙钛矿表面器件表现出高达25.24%的光电转换效率以及出色的器件稳定性，在一个太阳光照下运行2664小时后仍保持90%的初始效率。

这个成绩贴近但并未打破最高纪录——目前，最新手机版的小面积器件光电转化效率的纪录是26%。但它更突出的价值，是引导业界关注钙钛矿电池钝化效果的持久性，照亮那只长期被忽视的“大象”；同时，三联吡啶分子作为钝化剂的思路，也为业界送出了一块探路的“砖”，将为更多科研人员继续设计浓度无敏感型的钝化剂提供指导。

我们不由追问，钙钛矿电池这么热门，为何无人关注电池使用过程中产生的新缺陷呢？三联吡啶分子属于业内人都知道可作为钝化剂的一种分子，但此前为何没有人尝试去提高它的浓度？

“我觉得大家只是无视了、没有太去想这个问题。我们其实有点反过来——在表征测试电池的实验中发现了‘器件运行一段时间后会产生新的缺陷’的现象；而此前分子实验中，我们曾了解到三联吡啶分子的特性。所以就动手那么做了。” 论文第一作者之一、西湖大学工学院助理研究员王思思回答。

看似无意的创新，归根结底来自于长年的积累。自入职西湖的那一天起，王睿团队就走在第三代太阳能电池研究的最前沿，立志创造属于明升中国自己的“追光”纪录！

本项研究的第一作者为西湖大学工学院助理研究员王思思，复旦大学博士后姚沧浪为共同第一作者。西湖大学工学院PI王睿、浙江大学研究员薛晶晶为共同通讯作者。劳伦斯伯克利实验室、加州大学洛杉矶分校、复旦大学为合作单位。

该工作受到了国家自然app基金、浙江省自然app基金、博士后面上基金，西湖大学未来明升研究中心、西湖大学物质app和分子app实验平台以及硅及先进半导体全国重点实验室开放课题的支持。