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西湖大学迎28岁最年轻博导,曾首次用咖啡因提高钙钛矿电池效率

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他是西湖大学目前最年轻的博导,生于 1993 年只有 28 岁,却带领着一支由博士生和博士后组成的十人团队。

2021 年 2 月,是王睿在美国留学的第六个年头,4 月他回国正式加入西湖大学。回国之前,他曾以第一作者(含共同)身份在 Science 发表论文两篇,在 Nature Photonics、Joule、Advanced Materials、JACS、Matter、Nano Letters 等顶刊发表论文 19 篇。


图 | 王睿(来源:受访者)

一次实验后的咖啡小憩,促使提高钙钛矿电池效率

把咖啡因用于提高钙钛矿电池的功率,是王睿读博期间的关于钙钛矿电池的第一个代表作。有一次做完实验后,大家休息时一起去喝咖啡,当时他想既然咖啡会让人兴奋,那么会不会也让钙钛矿“兴奋”一下,从而让转化功率得到提升呢?


(来源:Westlake University)

这次偶然的评论,使团队回忆起咖啡中的咖啡因是一种生物碱化合物,其分子结构可以与钙钛矿材料的前驱体相互作用,这说明咖啡因具有特定晶体结构的化合物,可在钙钛矿太阳能电池中调节光收集层的性质。

回去之后,王睿和同事查了一下咖啡因的分子式,发现其中有两个官能团可对钙钛矿结晶产生调控作用,而这一发现也得益于前期的杨老师课题组的实验积累。结合咖啡因的奇思妙想之后,同时提高了钙钛矿电池的转换效率和稳定性。


(来源:Joule)

在此之前,科学家们改善这些太阳能电池热稳定性的尝试,包括通过引入二甲基亚砜等化合物来增强钙钛矿层,目的就是要提高电池效率和长期稳定性。但这些小分子的沸点很低,形成钙钛矿之后便会挥发,咖啡因的刚性结构和较高的沸点刚好可以弥补这一不足。


(来源:Joule)

研究中,王睿和团队将咖啡因添加到 40 个太阳能电池的钙钛矿层中,并使用红外光谱(使用红外辐射来识别化合物)确定咖啡因已成功与钙钛矿材料结合。

通过进一步的红外光谱测试,他们观察到咖啡因中的羰基(与氧双键结合的碳原子)与层中的铅离子相互作用,并能形成“分子锁”。

这种相互作用增加了钙钛矿薄膜反应所需的最小能量,将太阳能电池效率从 17% 提高到 20% 以上。当材料被加热时,由于咖啡因与钙钛矿的强相互作用,这有助于防止热量破坏该活性层。

2019 年 6 月,该论文以《咖啡因提高钙钛矿太阳能电池的性能和热稳定性》(Caffeine Improves the Performance and Thermal Stability of Perovskite Solar Cells)为题发表在 Joule 上。


图 | 相关论文(来源:Joule)


探索最佳的分子构型

此后,王睿心想引入更多作用基团并且具有类似的结构的分子是否有着更好的效果呢?接着他发现一个特别有意思的现象,咖啡因去掉一个甲基后,它会有两个同分异构体,一个是茶碱,一个是可可碱,但是官能团的位置不一样。尽管茶碱和可可碱的结构很相似,但它们对钙钛矿的影响并不相同。


(来源:Science)

之前大家都认为,只要有相应的官能团和钙钛矿相互作用,它就会起效。但是他发现,即使有这两个官能团,也必须在一个特定位置才能发挥到很好的作用。而且,尽管茶碱和可可碱有一样的官能团,但可可碱会使得钙钛矿晶格扭曲,反而会让钙钛矿电池的效率降低。

茶碱由于其最佳的分子构型可以最有效地提高钙钛矿的效率,让钙钛矿电池的转换效率提升到了 23%。此外,茶碱还能让电池连续工作 500 小时仅损失 10% 的原始转换效率。

2019 年圣诞节前夕,相关论文以《钙钛矿光伏表面缺陷钝化的建设性分子构型》(Constructive molecular configurations for surface-defect passivation of perovskite photovoltaics)为题,发表在 Science。


图 | 相关论文(来源:Science)

他告诉 DeepTech,借助茶碱的工作,其所在团队首次对钙钛矿表面缺陷进行了系统性研究。之前大家都是对体相的缺陷做研究,但是团队发现表面的缺陷研究对钙钛矿效率和稳定性的影响更大。

“找到一只会玩新花样的老狗”

2021 年 2 月,王睿以共同一作身份在 Science 发表论文,这也是截至目前他最满意的成果。研究中,他们通过引入有机共轭阳离子重构能带边缘,提高了钙钛矿电池的效率和稳定性。


图 | 相关论文(来源:Science)

之所以对这项研究更加满意,其一是因为该成果完成于疫情期间,整个过程比较艰苦。当时他还在美国,疫情很严重,每次去实验室都得全副武装。

其二,是成果比较有创新性。钙钛矿是是一个 ABX3 的结构,即它有三个元素,三个元素分别代表三个位置:A、B 和 X,其中 A 通常是一价有机阳离子,B 是二价阳离子,X 则是卤化物阴离子。

此前研究发现,钙钛矿的电子结构只会受到 B 和 X 的影响,A 只是起到稳定结构的作用。


(来源:Science)

而王睿和同事们的研究发现了一个新现象,当 A 位的阳离子经过有效的设计,并且当它具有大共轭结构时,它会对钙钛矿的电子结构进行调控,这一发现意味着团队开辟了一个新的设计方向。之前调控钙钛矿的电子结构都是依靠 B 和 X,现在发现 A 也能做到这样。

为了制造性能更好的钙钛矿材料,他们加入了一种专门设计的有机分子,一种含芘的有机铵。在它的外部,带正电荷的铵基团连接到芘分子——一个四重碳原子环,最终这种分子设计为钙钛矿提供了额外的电子结构的可调性。

“钙钛矿的独特性质在于它们具有高性能无机半导体的优势,以及聚合物易于低成本加工,”关于该成果,王睿当时曾这样告诉媒体, “这种新增强的钙钛矿材料现在为改进设计概念、提高效率提供了机会。”

“这就像找到一只会玩新花样的老狗,”杨阳则对媒体表示,“在材料科学中,我们一直在寻找材料的分子结构以实现高效电池。我们的博士后和研究生并没有将任何事情视为理所当然,而是深入挖掘以寻找新的途径。”

在该研究中,为了证明钙钛矿的附加效果,该团队用这些材料构建了光伏 (PV) 电池,然后在连续光照下对其进行了 2000 小时的测试。结果发现,电池依旧能以原始效率的 85% 将光转化为能量,这与由相同材料制成的光伏电池形成鲜明对比,但没有添加改变的有机分子,仅保留其原始效率的 60%。

力争让钙钛矿太阳能电池彻底实现商业化

王睿是辽宁锦州人,本科期间就读于吉林大学,2015 年毕业后来到加州大学伯克利分校读硕士,之后继续在 UCLA 读博士,拿到博士学位后继续在同一个课题组做博士后,本硕博一直学习材料科学与工程。

能够在 UCLA 结识杨阳讲席教授,也让他感到很幸运,其表示自己学到了很多,并认为杨老师是他最向往的老师。媒体称杨阳曾八次打破世界纪录,培养四十余位青年教授。而王睿正是杨阳培养出的诸多青年教授中的一位。


图 | 王睿在杨阳课题组读博时的研究小组(来源:UCLA 杨阳课题组)

或许正因此,哪怕现在已经回国有了自己的团队,但有时候还是想听杨老师骂一骂自己。王睿说,事后想想杨老师说过的很多话,虽然一开始会觉得不适应,甚至有点受打击,但是慢慢就会觉得杨老师是真的为自己好,他说过的那些话对自己日后的科研发展乃至职业发展都非常有帮助。

王睿表示,自己团队是西湖大学目前专门做钙钛矿太阳能电池的团队。目前,团队共有 11 人,除了他则有 5 位博士生、2 位博士后、3 位科研助理和 1 位行政助理。人员多为 90 后,此前还有 00 后本科生来这里做访问学生。

而他回国的目标之一,是让钙钛矿太阳能电池走出实验室,彻底实现商业应用。谈及当前在商业化上面临的难题,他表示稳定性是一个比较大的问题。

不过对于攻克这一难题,他也很有信心。之前钙钛矿的稳定性突破,虽然没有效率突破走得更快,但也有了很不错的突破。

五年前,钙钛矿电池只有几个小时或者几天,现在已经能做到几千个小时。王睿相信在三年之内,经过同行们的共同努力,一定会迎来大突破,并实现钙钛矿电池商业化。

每年在钙钛矿领域,都有几千篇论文诞生,之所以这么多人研究该领域,也是因为钙钛矿材料的应用场景非常多,会给传统光伏产业带来变革性创新。钙钛矿材料的缺陷容忍度非常高,不像硅材料要长出好的单晶才会有高效率。这时,哪怕用很普通的溶液法就能制备高质量的钙钛矿,并可得到很高的转换效率。

如果该材料得以商业化,就能大大降低太阳能电池的成本,更加有利于中国在 2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和的目标。正因此,大家都在为攀登这一顶峰而努力。

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