2年3篇！“90后”博导，再发Nature！

2024年7月24日，西湖大学王睿、浙江大学薛晶晶共同通讯在Nature 线发表题为“peri-Fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells”的研究论文，研究团队开发了一种基于芘的共轭母核新分子（Py3）的新型空穴选择接触结构，用作倒置钙钛矿太阳能电池的空穴传输层，在不牺牲器件效率的前提下，能够大幅度提升钙钛矿电池器件的稳定性。也就是说，他们合成了一个新的分子，这个分子与钙钛矿电池器件的其中一层的设计有关，基于它制备出的钙钛矿电池，能够更稳定、更持久。

这是王睿实验室取得的第一个关于倒置钙钛矿电池的成果。我们曾比拟过，这类电池的制造，犹如一层一层“摊煎饼”——如果说此前这个团队的成果都诞生于“正着摊”，那么从这个发现开始，他们正式吹响号角，进军“倒着摊”的新版图。

本项研究的第一作者为西湖大学-浙江大学联合培养博士研究生赵可，西湖大学博士后刘情情、西湖大学助理研究员姚利兵为共同第一作者。西湖大学工学院PI王睿和浙江大学研究员薛晶晶为共同通讯作者。

今年年初，该团队给钙钛矿电池开出“新药方”，被《焦耳》收录（点击查看报道）；就在一年前、2023年的夏天，他们找到了帮助钙钛矿生长的办法，成果发表于《自然》（点击查看报道）。

王睿，西湖大学工学院助理教授、独立PI，师从太阳能电池领域专家Yang Yang教授，在加州大学洛杉矶分校获博士学位。随后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。2021年4月全职加入西湖大学工学院。

2023年6月21日，西湖大学王睿、浙江大学薛晶晶、加利福尼亚大学杨阳及瑞士洛桑联邦理工学院Mohammad Khaja Nazeeruddin共同通讯在Nature在线发表题为“Oriented nucleation in formamidinium perovskite for photovoltaics”的研究论文，该研究报告了一种新的甲脒铅碘钙钛矿取向成核方法。该机制可以帮助避免不良相的存在，并提高光伏器件在不同薄膜加工场景下的性能。该器件的功率转换效率为25.4%(经认证为25.0%)，该模块的面积为27.83 cm2，经认证的孔径效率为21.4%。

2022年3月15日，加州大学洛杉矶分校杨阳，西湖大学王睿及韩国成均馆大学Jin-Wook Lee共同通讯在Nature 在线发表题为“Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics”的研究论文，该研究表明表面处理可能会引起负功函数偏移（即更多的 n 型），这会激活卤化物迁移以加剧 PSC 不稳定性。因此，尽管表面钝化具有有益效果，但这种有害的副作用限制了以这些方式处理的 PSC 可获得的最大稳定性改进。这种有利和不利影响之间的权衡应指导通过表面处理提高 PSC 稳定性的进一步工作。

当我们在实验室见到本次成果的绝对“主角”，被团队命名为“Py3”的 (2-(芘-1-基)乙基)磷酸分子的时候，它被装在透明的玻璃试剂管内，呈白色粉末状，看起来似乎平平无奇。

Py3分子

其貌不扬，也实属正常。这种分子并不能独立大放异彩，它的舞台在钙钛矿电池之中，它的使命是被溶于溶液中，历经精心的涂抹，成为电池不可或缺的其中一层。

“是我们把它带到这个世界上的。”本文一作之一、西湖大学-浙江大学联合培养博士生赵可将试管递给我们，言语间充满着骄傲。

但在2021年，当王睿团队中所有人都在研究正置的钙钛矿电池时，只有他，潜入了倒置钙钛矿电池的迷雾中。

正置？倒置？这是什么意思？

这就不得不说钙钛矿太阳能电池的结构了，在这种电池中，其实钙钛矿材料只是其中的一层，典型的这类电池共有五层。在“正置”，也就是定义上正着放的电池中，自电池表面到内部为：透明导电氧化物、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴选择接触层、金属电极。在“倒置”，也就是倒着的电池中，电子传输层和空穴选择接触层的位置发生了对调，其余几层不变。

能把光能转化为电能的这类电池，最早诞生于2009年，迄今不过十余年。在这十数年间，无论是尝试新的钙钛矿分子，还是在电池其他部分“动脑筋”，科学家们在细枝末节做的尝试“万变不离其宗”地主要围绕着两件事：提高它的效率，提升它的稳定性——这也是评判钙钛矿电池“表现”的两个最关键的维度。

倒置，也正是领域内所作的探索之一。其实自2022年以来，倒置钙钛矿电池已经成为了新的“风潮”，因为人们发现，这类“后起之秀”的效率已经能追赶上正置，并且它的稳定性要更强，与叠层器件的兼容性表现也良好。

但在此前，正置一直是无可置喙的研究主流——在王睿实验室也不例外，无论是王睿在加州大学洛杉矶分校读博期间“天马行空”地往钙钛矿电池中加入咖啡、提高稳定性，还是实验室上一篇《自然》中帮助甲脒铅碘钙钛矿更理想的生长办法，又或是他们在《焦耳》中所述的能持续“修复”电池“损伤”的钝化分子，都是正置的成果。

身处这样的研究环境，赵可与彼时以博士后身份加入团队的姚利兵，偏偏还是选择了那条“少有人走的路”，对倒置电池“上了心”。他们留心到，这类电池有一种“休眠火山”式的缺陷，和其中基于小分子的空穴选择性接触层有关。

所谓“空穴选择性接触层”，是在透明电极和钙钛矿层间，负责提取和传输空穴的那一层；空穴，可以理解为“正电荷”，也就是说，这一层是“正电荷”的“交通要道”，是实现高效稳定倒置钙钛矿太阳能电池的关键组成部分。

这一层的性能，和所选用的分子的化学结构紧密相关。这类分子通常是由一个共轭母核和一个锚定基团组成，这样的小分子可通过自组装形成单层或多层结构，从而实现“正电荷”的通行。

目前空穴选择接触层的分子，在（母核）结构设计上都依赖杂原子（像氮、硫、氧等）取代的π-共轭结构。通常认为，引入杂原子可以保证传输层具有高效的电荷传输能力。但坏处是，在考虑外置偏压或光照条件下，会致使分子结构不稳定性加剧，继而影响整个钙钛矿器件在实际工作中的效率和稳定性。也就是说，这类电池不太稳定，随时可能发生“故障”，无法正常发挥功用，隐患潜藏其中，就像一座座不知何时爆发的“休眠火山”。

常见的空穴传输接触层

有没有可能设计一种更稳定的分子呢？与其在常见路径上“雕花”，王睿团队联合了拥有化学背景的浙江大学薛晶晶团队，他们干脆选择了另辟蹊径，跳出目前分子设计的化学框架，决定构建一种全新的母核，“抛弃“杂原子取代的传统设计思路，把目光投向了具有本征稳定性的全碳基的结构——芘核。

所谓芘核，指的是四个苯环并联的稠环结构。这样的结构相较于传统的母核非常稳定，但设计的想法很美好，现实很“骨感”。一度，课题陷入了被动的“泥潭”中：虽然赵可和他的伙伴们均出身于钙钛矿电池研究，这支过分“本行”出身的研究小队，不能自己“做”分子，只能问别人买他人设计的分子，不仅成本高，效果也不理想，还受到种种桎梏。

2022年，拥有有机化学背景的博士后刘情情，“跨界”加入了王睿实验室，恰逢反置电池因表现优异引来世人关注，这个焦灼的课题也迎来了曙光——

最终，他们将所设计的结构一种基于芘的共轭母核的分子成功地合成了出来，将设计图纸上的“梦想“转化为了“看得见“的实物，即上文所提及的(2-(芘-1-基)乙基)磷酸（Py3），并基于这种分子开发了一种新型空穴选择接触结构。这样的结构用作倒置钙钛矿太阳能电池的空穴传输层时，能在不牺牲电池器件效率的前提下，大幅提升稳定性。

Py3它的使用工艺并不复杂，用“摊酱”一样的手法即可完成。这种分子具有良好的溶解性，可通过常见的旋涂法实现（在ITO上的）高效组装。与此同时，这种分子还大大降低了成本。它的合成成本远低于普遍使用的引入杂原子的小分子，目前实验室的合成成本约为7.2美元/克（后者均价约为320美元/克）。这是由于合成Py3的原料为常见的化工原料中，如果进行大批量采购，成本还有望进一步降低。

听起来都很美好，那么，Py3能满足王睿团队起始的课题目标，既能行使传输“正电荷”的功能，也能解决电池可能像“休眠火山”的不稳定的隐患吗？研究人员进行了一系列实验测试，包括光照、加热，并以目前常用的小分子2PACz进行对照组对比——答案是肯定的，数据显示，Py3分子具有更强的结构、更好的稳定性。

Py3具有优异的电学及结构稳定性

那么，由基于它的技术组装成的钙钛矿电池，性能又如何呢？

实验显示，以Py3作为空穴选择性接触层的钙钛矿太阳能电池，表现出了优异的光伏性能。其光电转化效率显著提高至26.1%（经第三方机构认证为25.7%），开路电压和填充因子实现了巨大提升。

高效稳定的倒置钙钛矿太阳能电池

它更突出的成绩在于稳定性。基于各项国际标准的老化测试，本研究发现以Py3为空穴传输层构筑的器件具有优异的运行稳定性，经拟合的运行寿命（T90）均超过10000小时（图5）。而目前的钙钛矿电池的使用寿命在大约三千个小时左右，也就是说，这个新的小分子让电池的使用时间翻了近三倍。

这个立志创造属于中国自己的“追光”纪录的实验室，再次为钙钛矿领域作出了一次意义重大的探索。基于Py3的新型空穴选择接触结构，不但为倒置钙钛矿太阳能电池的空穴传输层提出了新的制作工艺更简单、周期更短、成本更低的设计办法，还保证效率的前提下，大幅度提升了钙钛矿电池器件的稳定性，延长了电池的使用寿命。接下来，这个团队还将继续优化分子设计。

对于不断创新的王睿实验室而言，这个课题也有着许多“第一”的标签：这是王睿实验室在钙钛矿电池空穴选择接触层，取得的第一个研究成果；自此，在钙钛矿太阳能电池五层的“山峦”上，都留下了他们探索成功的“旗帜”。

这也是王睿实验室向倒置钙钛矿太阳能电池挺进，并收获成果的第一个课题。当赵可和姚利兵回忆时，已经不记得是具体从哪一天开始，当他们从自己的研究里抬起头，惊讶地发现实验室越来越多的伙伴们开始从正置转投入倒置的研究。有趣的是，现如今，王睿实验室正全员专注于倒置的课题。

这或许也正是科研意想不到的魅力。那些在“少有人走的路”上踽踽独行的“个例”，终究成为了吹响“冲锋”号角的先行者。

团队合照，从左至右：刘情情、赵可、姚利兵

西湖大学理学院王鸿飞教授课题组为本项目和频光谱分析方面以及浙江大学团队学术带头人杨德仁院士对此工作提供了重要支持。

本工作受到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、白马湖实验室，西湖大学未来产业中心，浙江省全省智能低碳生物合成重点实验室等项目的资助以及西湖大学物质科学和分子科学实验平台的支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07712-6

来源：西湖大学、inature等，爱科会易仅用于学术交流