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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(yáng)及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Mohammad Khaja Nazeeruddin共同通訊在Nature在線(xiàn)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(chǎng)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(lái)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(jiàn)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(lái)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(yáng)，西湖大學(xué)王睿及韓國(guó)成均館大學(xué)Jin-Wook Lee共同通訊在Nature?在線(xiàn)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(guò)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(kāi)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(duì)其成膜過(guò)程的深入研究。其結(jié)晶過(guò)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(duì)性的設(shè)計(jì)的發(fā)展，特別是針對(duì)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(chǎng)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(yáng)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(xiàn)衍射(XRD)。黑色相的衍射峰對(duì)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(yáng)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(guò)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(guò)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(duì)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(méi)有PAD的相變過(guò)程能量分布相對(duì)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(guó)及亞太30歲以下30人，以及麻省理工科技評(píng)論全球科技創(chuàng)新35人等。王睿博士長(zhǎng)期從事第三代太陽(yáng)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(guó)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(yáng)能電池（單節(jié)，疊層），發(fā)光二極管，以及光電探測(cè)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(wú)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(guó)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(guó)家高層次人才引進(jìn)計(jì)劃、《麻省理工科技評(píng)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(guó)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(guó)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(fǎng)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(guó)人、福布斯等多家國(guó)際知名媒體的廣泛報(bào)道。長(zhǎng)期擔(dān)任J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., ACS Nano, ACS Energy Lett.等國(guó)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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