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2023年6月21日，西湖大學(xué)王睿、浙江大學(xué)薛晶晶、加利福尼亞大學(xué)楊陽及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Mohammad Khaja Nazeeruddin共同通訊在Nature在線發(fā)表題為“Oriented nucleation in formamidinium perovskite for photovoltaics”的研究論文，該研究報(bào)告了一種新的甲脒鉛碘鈣鈦礦取向成核方法。該機(jī)制可以幫助避免不良相的存在，并提高光伏器件在不同薄膜加工場景下的性能。該器件的功率轉(zhuǎn)換效率為25.4%(經(jīng)認(rèn)證為25.0%)，該模塊的面積為27.83 cm²，經(jīng)認(rèn)證的孔徑效率為21.4%。

入職2年2篇Nature，西湖大學(xué)最年輕博導(dǎo)再發(fā)Nature

研究的第一作者為西湖大學(xué)和浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生石鵬舉，丁勇、丁斌、邢奇宇為共同第一作者。西湖大學(xué)王睿、浙江大學(xué)薛晶晶、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校UCLA Yang Yang和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院EPFL Mohammad Khaja Nazeeruddin為共同通訊作者。勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室、華北電力大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、馬爾馬拉大學(xué)為合作單位。該工作受到了西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心、西湖大學(xué)物質(zhì)科學(xué)和分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及白馬湖實(shí)驗(yàn)室的支持。

王睿和薛晶晶都是90后（人物介紹詳見文末），兩人2021年同年分別入職西湖大學(xué)和浙江大學(xué)，其中，1993年生的王睿，2021年全職加入西湖大學(xué)工學(xué)院，成為西湖大學(xué)最年輕博導(dǎo)。這也是王睿入職西湖大學(xué)2年來第二篇nature。

同時(shí)，這也是繼浙江大學(xué)6月7日登Nature之后，時(shí)隔兩周，浙江大學(xué)與合作者再上Nature，浙江大學(xué)仍為第一單位。

2022年3月15日，加州大學(xué)洛杉磯分校楊陽，西湖大學(xué)王睿及韓國成均館大學(xué)Jin-Wook Lee共同通訊在Nature?在線發(fā)表題為“Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics”的研究論文，該研究表明表面處理可能會(huì)引起負(fù)功函數(shù)偏移（即更多的 n 型），這會(huì)激活鹵化物遷移以加劇 PSC 不穩(wěn)定性。因此，盡管表面鈍化具有有益效果，但這種有害的副作用限制了以這些方式處理的 PSC 可獲得的最大穩(wěn)定性改進(jìn)。這種有利和不利影響之間的權(quán)衡應(yīng)指導(dǎo)通過表面處理提高 PSC 穩(wěn)定性的進(jìn)一步工作。

FAPbI₃具有令人印象深刻的帶隙和熱阻，因此成為最有希望用作光伏器件的候選鈣鈦礦。然而，在室溫下，F(xiàn)APbI₃的光活性黑色相在能量上并不有利。多型形成和其他中間非光活性相的存在很容易發(fā)生，這破壞了其光伏性能。為了促進(jìn)黑相FAPbI₃在室溫下的形成，已經(jīng)開發(fā)了幾種方法，如與PbI₂形成加合物和使用離子液體的溶劑工程。遺憾的是，F(xiàn)APbI₃鈣鈦礦的快速結(jié)晶動(dòng)力學(xué)阻礙了對其成膜過程的深入研究。其結(jié)晶過程中相演化的微觀機(jī)制尚未明確定義。這種信息的缺乏阻礙了FAPbI₃鈣鈦礦高效吸收劑的膜處理方法的更合理和有針對性的設(shè)計(jì)的發(fā)展，特別是針對不同的膜處理方案，如一步和兩步膜沉積方案以及小和大面積裝置。在一種加工場景中促進(jìn)黑相FAPbI₃形成的策略在其他情況下通常會(huì)失敗。

該研究觀察到一種定向成核機(jī)制，這種機(jī)制源于特定晶體平面表面能的降低，這使人們能夠避免FAPbI₃的黃相，并控制黑相FAPbI₃的形成。該研究驗(yàn)證了不同薄膜沉積方法的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)它可以應(yīng)用于提高小面積器件和太陽能組件的性能。

室溫下黑相FAPbI₃的直接形成及其驅(qū)動(dòng)力（圖源自Nature?）

在鈣鈦礦薄膜的兩步沉積方案中，PbI₂和有機(jī)鹵化物前體依次沉積，在室溫下總是觀察到中間非光活性相。沉積的鈣鈦礦薄膜在室溫下的X射線衍射(XRD)。黑色相的衍射峰對應(yīng)于(100)面，并伴有六角形鈣鈦礦多型2H和6H中間相的衍射峰。在有機(jī)陽離子前驅(qū)體中加入鹽酸戊脒(PAD)，消除了中間相。利用密度泛函理論計(jì)算和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)研究了PAD如何與Pb-I框架相互作用。PAD帶正電的偕胺頭能夠通過靜電和氫鍵相互作用錨定在黑相鈣鈦礦的八面體腔中。與PbI₂混合后，在PAD的FTIR光譜中可以看到C=N和N-H振動(dòng)的峰移，證實(shí)了PAD與Pb-I框架通過酰胺單元之間的強(qiáng)相互作用。這種相互作用暴露了PAD的疏水烷基鏈，使其有序地堆疊在黑相鈣鈦礦(100)平面上。結(jié)果表明，與其他平面相比，當(dāng)平面被PAD終止時(shí)，鈣鈦礦(100)平面的表面能下降最多(從3.16 eV下降到1.14 eV，下降了64%)。

二維鈣鈦礦相的形成證實(shí)了這種相互作用的構(gòu)型，用XRD對用PAD制備的鈣鈦礦膜進(jìn)行了表征。鈣鈦礦相的尺寸減小證明了(100)平面的表面能極低。這種熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力導(dǎo)致黑相鈣鈦礦的(100)取向優(yōu)先形成，決定了黑相鈣鈦礦的結(jié)晶織構(gòu)，促進(jìn)了黑相鈣鈦礦晶體的形成。相比之下，沒有PAD的相變過程能量分布相對均勻，導(dǎo)致多個(gè)相和取向并存。

王睿，西湖大學(xué)工學(xué)院助理教授，獨(dú)立PI，1993年生，遼寧錦州人，2015年獲吉林大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2016年獲加州大學(xué)伯克利分校碩士學(xué)位。2016.9-2019.12就讀于加州大學(xué)洛杉磯分校，師從Yang Yang教授，獲博士學(xué)位。隨后在加州大學(xué)洛杉磯分校繼續(xù)博士后研究工作。?

2021年4月全職加入西湖大學(xué)工學(xué)院。曾入選福布斯中國及亞太30歲以下30人，以及麻省理工科技評論全球科技創(chuàng)新35人等。王睿博士長期從事第三代太陽能電池的研究工作，曾以第一作者身份在Nature，Science (2篇)，Nature Photonics,?Advanced Materials，JACS，Matter，Nano Letters等旗艦雜志發(fā)表論文23篇，研究成果被包括科學(xué)美國人，福布斯等多家知名媒體報(bào)道。

課題組主要研究方向: （1）鈣鈦礦光電器件的制備與表征：包括太陽能電池（單節(jié)，疊層），發(fā)光二極管，以及光電探測器等（2）鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和缺陷態(tài)的機(jī)理研究（3）尋找新型有機(jī)無機(jī)雜化光伏材料（4）其他光伏電池研究。

薛晶晶，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“百人計(jì)劃”研究員、博士生導(dǎo)師。入選國家高層次人才引進(jìn)計(jì)劃、《麻省理工科技評論》亞太區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人” (MIT Technology Review “Innovators Under 35”, Pacific Asian）、福布斯中國30歲以下精英榜（Forbes China 30 under 30）。

2016年9月于南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院取得學(xué)士學(xué)位，2020年5月于加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程學(xué)院取得博士學(xué)位，師從半導(dǎo)體光電材料與器件領(lǐng)域國際著名學(xué)者Yang Yang教授，期間曾赴斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院崔屹教授課題組訪學(xué)，博士畢業(yè)后在加州大學(xué)洛杉磯分校繼續(xù)博士后研究工作。于2021年全職加入浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。目前主要從事金屬鹵化物鈣鈦礦光電材料與器件研究。

先后共發(fā)表SCI論文40余篇，其中以第一或通訊作者在Science (2篇)、Nat. Rev. Mater.、Nat. Photonics、Nat. Energy、Adv. Mater. (2篇)、Joule (2篇)、J. Am. Chem. Soc. (2篇)?等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文近20篇。多篇論文入選ESI熱點(diǎn)和高被引論文，成果曾受到包括科學(xué)美國人、福布斯等多家國際知名媒體的廣泛報(bào)道。長期擔(dān)任J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., ACS Nano, ACS Energy Lett.等國際著名期刊審稿人。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06208-z

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