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一個平常的下午，西湖大學“編輯部”的郵箱里彈出了一封郵件——
“來了個A類科研成果。”
“誰啊？”
“王睿。”
“又是王睿？”眾人異口同聲。
王睿，一位自2021年4月正式加入西湖大學工學院以來，就在編輯們耳邊高頻出現的PI。不僅僅是我們，關注西湖成長的每一個人，都可能會覺得這個名字“很熟”、“好像在哪里見過”。
就在一個多月以前，阿里巴巴達摩院公布了2023年“青橙獎”獲獎名單。王睿，是西湖大學入選本次名單的兩位青年學者之一（另一位是生命科學學院PI劉曉東）。
把日歷再往前翻翻。2022年夏，《麻省理工科技評論》公布了當年的Innovators Under 35（全球“35 歲以下科技創新 35 人”），時年29歲的博導王睿入選。2021年秋，福布斯中國發布了這一年的30 Under 30榜單，在科學和醫療健康30人名單里，也出現了一個叫王睿的名字……
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在西湖校內，還有很多師生曾聽過“一杯咖啡激發科研靈感”的故事。這個故事的主人公，也是王睿。
2018年，在加州大學洛杉磯分校攻讀博士學位期間，他突發奇想地把喜愛的咖啡加入到鈣鈦礦太陽能電池中，“咖啡可以讓人們情緒穩定，那么能不能讓鈣鈦礦的‘情緒’也變得更穩定呢？”然后，他們果然發現電池的輸出功率大大提高了，這一成果也發表在《焦耳》上。
從美國加州走向中國杭州，今年，王睿帶領西湖大學的實驗室團隊，在鈣鈦礦太陽能電池的性能方面續寫突破。
北京時間2月12日晚，西湖大學工學院王睿實驗室最新成果，強π-共軛型路易斯堿鈍化劑重度鈍化鈣鈦礦表面、用于長久穩定基于spiro-OMeTAD的正式器件，以“Enhanced passivation durability in perovskite solar cells via concentration-independent passivators”為題在線發表于《焦耳》。該研究通過設計分子共軛面積，增強分子間的π-π相互作用，以最大限度地抑制高濃度下鈍化劑分子對鈣鈦礦晶格的侵蝕，同時最大程度地形成有序的π-π堆砌，保證界面電荷的順利傳輸。
王睿實驗室中的鈣鈦礦電池樣品
簡單來講，他們發現了一種熟悉的“老分子”的“新性質”：作為鈣鈦礦電池的缺陷鈍化劑，能在高濃度下使用、不會“損傷”電池性能；這樣，隨著器件運行時間的延長，儲備的鈍化劑分子能夠繼續“處理”電池運行后新產生的缺陷，從而提高器件的使用壽命。
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原文鏈接：
你可能想問，什么叫電池表面的缺陷？什么又叫鈍化劑？
一切要從鈣鈦礦電池的“模樣”說起。
近年來，我們多多少少會在新聞報道中見到過“明星材料”鈣鈦礦電池的身影。作為中國許多城市和鄉村中隨處可見的“藍色屋頂”——硅太陽能電池——被寄予厚望的接班者，鈣鈦礦電池同樣能夠將光能轉化為電能，并在實驗室實現了單片小面積的光電轉化率達到25%甚至更高，比肩硅太陽能電池四十年的發展速度。
圖1 鈣鈦礦結構示意
這類電池的核心是鈣鈦礦分子，它有著獨特的ABX3結構：A和B為陽離子，元素周期表中90%的金屬元素都可以充當A或B；X是陰離子，由鹵素元素（包括氟、氯、溴、碘等）擔當。這些離子構成了一個八面體，也就是一個立方晶格，有點像一個獨立的積木結構。當離子的元素成分不同時，這個“部件組合”會有不同的性能和效果。而無數的鈣鈦礦分子“聚攏”時，會構成更大的、規整的立體結構，就像無數的同形狀的積木結構整齊堆疊在一起。這，就是鈣鈦礦電池“萬變不離其宗”的“模樣”。
完美的鈣鈦礦分子，應該擁有上述那樣的八面體晶格結構，但現實里制備鈣鈦礦電池的過程中，經常會發生“缺失”，比如缺一個A離子、少一個B離子——這樣的情況，被統稱為缺陷。
有缺陷，肯定要克服，怎么辦？靠“鈍化”。所謂鈍化，可以簡化理解為讓“缺失”的部位補上，或者是讓這個缺失更難形成，機理主要是路易斯酸堿理論。目前研究中所使用的鈍化劑，有很多類型，但無論是固體、液體或者氣體的形態，都會被“滴”在鈣鈦礦薄膜表面。這個“補位”的過程，也就是缺陷鈍化。所有的鈣鈦礦電池，都必須要歷經這一步，才能“完美出廠”。
王睿實驗室的這項最新研究成果，正與鈣鈦礦電池制備中這關鍵的一步相關。他們針對該過程中一個長期被人“忽視”的事實，提出了創新性的解決方案——
事實上，伴隨著電池器件運行時間的延長，鈣鈦礦電池表面的缺陷“濃度”也會隨之增加。也就是說，電池會產生“計劃外”的缺陷——比如，放在在太陽光下照射，某些離子有可能會產生遷移；同時，使用時間長了，也可能會產生新的缺陷。大家都使用過電器，可以把這塊電池想象為電器，“年久”了，總是容易“失修”。
目前，鈍化劑濃度通常是針對新鮮制備的器件“設計”的。為了盡可能不損傷電池，濃度也被保持在一個盡可能低的數量級。但顯然，初始低濃度的鈍化劑無法持續鈍化越來越多新產生的缺陷。原則上，如果起初使用高濃度的鈍化劑，或許可以在后續新缺陷出現時對它們進行處理。但這一策略至今尚未取得成功，因為高濃度的鈍化劑，往往對器件性能有害。
關于鈣鈦礦電池的這個事實，好似成了“房間里的大象”：人人都知道它存在，但沒有理想的解決辦法。
這一次，王睿實驗室找到了突破口。
在使用一系列分子作為電池鈍化劑的測試實驗中，研究團隊敏銳地察覺到了有一類分子，電池對它的濃度“不敏感”：具有最強π共軛的三聯吡啶分子。
他們將這類分子作為鈍化劑，并把分子的濃度提高到了常規使用濃度的20倍（即100 mM）。通過理論計算模擬、飛行時間二次離子質譜和掠入射X射線衍射的驗證手段，他們“看到”，即便在高濃度的情形下，這類分子也可以有序地堆砌在鈣鈦礦表面，對鈣鈦礦的晶格破壞小，且其堆砌的方向，有利于界面電荷的提取和傳輸。
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圖2 基于不同π共軛結構Lewis base的鈍化效果和光伏響應
回到積木的比擬，可以想象，高濃度的鈍化劑分子，像另一種形態的“小積木”，雖然數量大，但“乖乖”地有序“斜鋪”在“大積木”鈣鈦礦電池的頂端，不影響大積木的結構。同時，各塊“小積木”之間的空間縫隙，又適合電荷“鉆入”和“鉆出”電池，不妨礙電池本身的效率。而這種分子，也可以完成鈍化缺陷的本色使命，當“大積木”出現錯誤，它們能及時修正。這是不是很完美？
總之，三聯吡啶分子的這種獨特的特性，能在不降低電池器件性能的情況下，對鈣鈦礦進行高濃度鈍化，從而大大提高了鈍化效果的耐久性。因此，經三聯吡啶鈍化的鈣鈦礦器件，它的光電轉換效率，對所使用的鈍化劑濃度依賴小。
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圖3 提高鈍化持久性實現高穩定鈣鈦礦器件
在鈣鈦礦太陽能電池界，“評優”的指標有兩項：光電轉換效率和器件穩定性。那么，王睿團隊開發的使用了這種新型鈍化劑的鈣鈦礦電池，成績如何呢？
實驗數據顯示，經過三聯吡啶處理的鈣鈦礦表面器件表現出高達25.24%的光電轉換效率以及出色的器件穩定性，在一個太陽光照下運行2664小時后仍保持90%的初始效率。
這個成績貼近但并未打破最高紀錄——目前，最新報告的小面積器件光電轉化效率的紀錄是26%。但它更突出的價值，是引導業界關注鈣鈦礦電池鈍化效果的持久性，照亮那只長期被忽視的“大象”；同時，三聯吡啶分子作為鈍化劑的思路，也為業界送出了一塊探路的“磚”，將為更多科研人員繼續設計濃度無敏感型的鈍化劑提供指導。
我們不由追問，鈣鈦礦電池這么熱門，為何無人關注電池使用過程中產生的新缺陷呢？三聯吡啶分子屬于業內人都知道可作為鈍化劑的一種分子，但此前為何沒有人嘗試去提高它的濃度？
“我覺得大家只是無視了、沒有太去想這個問題。我們其實有點反過來——在表征測試電池的實驗中發現了‘器件運行一段時間后會產生新的缺陷’的現象；而此前分子實驗中，我們曾了解到三聯吡啶分子的特性。所以就動手那么做了。” 論文第一作者之一、西湖大學工學院助理研究員王思思回答。
看似無意的創新，歸根結底來自于長年的積累。自入職西湖的那一天起，王睿團隊就走在第三代太陽能電池研究的最前沿，立志創造屬于中國自己的“追光”紀錄！
本項研究的第一作者為西湖大學工學院助理研究員王思思，復旦大學博士后姚滄浪為共同第一作者。西湖大學工學院PI王睿、浙江大學研究員薛晶晶為共同通訊作者。勞倫斯伯克利實驗室、加州大學洛杉磯分校、復旦大學為合作單位。