從UCLA回國，西湖大學(xué)迎28歲最年輕博導(dǎo)，曾首次用咖啡因提高鈣鈦礦電池效率 | 專訪

他是西湖大學(xué)目前最年輕的博導(dǎo)，生于 1993 年只有 28 歲，卻帶領(lǐng)著一支由博士生和博士后組成的十人團(tuán)隊(duì)。

2021 年 2 月，是王睿在美國留學(xué)的第六個(gè)年頭，4 月他回國正式加入西湖大學(xué)?；貒?，他曾以第一作者（含共同）身份在 Science 發(fā)表論文兩篇，在 Nature Photonics、Joule、Advanced Materials、JACS、Matter、Nano Letters 等頂刊發(fā)表論文 19 篇。

一次實(shí)驗(yàn)后的咖啡小憩，促使提高鈣鈦礦電池效率

把咖啡因用于提高鈣鈦礦電池的功率，是王睿讀博期間的關(guān)于鈣鈦礦電池的第一個(gè)代表作。有一次做完實(shí)驗(yàn)后，大家休息時(shí)一起去喝咖啡，當(dāng)時(shí)他想既然咖啡會(huì)讓人興奮，那么會(huì)不會(huì)也讓鈣鈦礦“興奮”一下，從而讓轉(zhuǎn)化功率得到提升呢？

這次偶然的評(píng)論，使團(tuán)隊(duì)回憶起咖啡中的咖啡因是一種生物堿化合物，其分子結(jié)構(gòu)可以與鈣鈦礦材料的前驅(qū)體相互作用，這說明咖啡因具有特定晶體結(jié)構(gòu)的化合物，可在鈣鈦礦太陽能電池中調(diào)節(jié)光收集層的性質(zhì)。

回去之后，王睿和同事查了一下咖啡因的分子式，發(fā)現(xiàn)其中有兩個(gè)官能團(tuán)可對(duì)鈣鈦礦結(jié)晶產(chǎn)生調(diào)控作用，而這一發(fā)現(xiàn)也得益于前期的楊老師課題組的實(shí)驗(yàn)積累。結(jié)合咖啡因的奇思妙想之后，最終同時(shí)提高了鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

在此之前，科學(xué)家們改善這些太陽能電池?zé)岱€(wěn)定性的嘗試，包括通過引入二甲基亞砜等化合物來增強(qiáng)鈣鈦礦層，目的就是要提高電池效率和長期穩(wěn)定性。但這些小分子的沸點(diǎn)很低，形成鈣鈦礦之后便會(huì)揮發(fā)，咖啡因的剛性結(jié)構(gòu)和較高的沸點(diǎn)剛好可以彌補(bǔ)這一不足。

研究中，王睿和團(tuán)隊(duì)將咖啡因添加到 40 個(gè)太陽能電池的鈣鈦礦層中，并使用紅外光譜（使用紅外輻射來識(shí)別化合物）確定咖啡因已成功與鈣鈦礦材料結(jié)合。

通過進(jìn)一步的紅外光譜測(cè)試，他們觀察到咖啡因中的羰基（與氧雙鍵結(jié)合的碳原子）與層中的鉛離子相互作用，并能形成“分子鎖”。

這種相互作用增加了鈣鈦礦薄膜反應(yīng)所需的最小能量，將太陽能電池效率從 17% 提高到 20% 以上。當(dāng)材料被加熱時(shí)，由于咖啡因與鈣鈦礦的強(qiáng)相互作用，這有助于防止熱量破壞該活性層。

2019 年 6 月，該論文以《咖啡因提高鈣鈦礦太陽能電池的性能和熱穩(wěn)定性》（Caffeine Improves the Performance and Thermal Stability of Perovskite Solar Cells）為題發(fā)表在 Joule 上。

探索最佳的分子構(gòu)型

此后，王睿心想引入更多作用基團(tuán)并且具有類似的結(jié)構(gòu)的分子是否有著更好的效果呢？接著他發(fā)現(xiàn)一個(gè)特別有意思的現(xiàn)象，咖啡因去掉一個(gè)甲基后，它會(huì)有兩個(gè)同分異構(gòu)體，一個(gè)是茶堿，一個(gè)是可可堿，但是官能團(tuán)的位置不一樣。盡管茶堿和可可堿的結(jié)構(gòu)很相似，但它們對(duì)鈣鈦礦的影響并不相同。

之前大家都認(rèn)為，只要有相應(yīng)的官能團(tuán)和鈣鈦礦相互作用，它就會(huì)起效。但是他發(fā)現(xiàn)，即使有這兩個(gè)官能團(tuán)，也必須在一個(gè)特定位置才能發(fā)揮到很好的作用。而且，盡管茶堿和可可堿有一樣的官能團(tuán)，但可可堿會(huì)使得鈣鈦礦晶格扭曲，反而會(huì)讓鈣鈦礦電池的效率降低。

茶堿由于其最佳的分子構(gòu)型可以最有效地提高鈣鈦礦的效率，讓鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率提升到了 23%。此外，茶堿還能讓電池連續(xù)工作 500 小時(shí)僅損失 10% 的原始轉(zhuǎn)換效率。

2019 年圣誕節(jié)前夕，相關(guān)論文以《鈣鈦礦光伏表面缺陷鈍化的建設(shè)性分子構(gòu)型》（Constructive molecular configurations for surface-defect passivation of perovskite photovoltaics）為題，發(fā)表在 Science。

他告訴 DeepTech，借助茶堿的工作，其所在團(tuán)隊(duì)首次對(duì)鈣鈦礦表面缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。之前大家都是對(duì)體相的缺陷做研究，但是團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)表面的缺陷研究對(duì)鈣鈦礦效率和穩(wěn)定性的影響更大。

“找到一只會(huì)玩新花樣的老狗”

2021 年 2 月，王睿以共同一作身份在 Science 發(fā)表論文，這也是截止目前他最滿意的成果。研究中，他們通過引入有機(jī)共軛陽離子重構(gòu)能帶邊緣，提高了鈣鈦礦電池的效率和穩(wěn)定性。
之所以對(duì)這項(xiàng)研究更加滿意，其一是因?yàn)樵摮晒瓿捎谝咔槠陂g，整個(gè)過程比較艱苦。當(dāng)時(shí)他還在美國，疫情很嚴(yán)重，每次去實(shí)驗(yàn)室都得全副武裝。

其二，是成果比較有創(chuàng)新性。鈣鈦礦是是一個(gè) ABX3 的結(jié)構(gòu)，即它有三個(gè)元素，三個(gè)元素分別代表三個(gè)位置：A、B 和 X，其中 A 通常是一價(jià)有機(jī)陽離子，B 是二價(jià)陽離子，X 則是鹵化物陰離子。

此前研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦的電子結(jié)構(gòu)只會(huì)受到 B 和 X 的影響，A 只是起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。

而王睿和同事們的研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新現(xiàn)象，當(dāng) A 位的陽離子經(jīng)過有效的設(shè)計(jì)，并且當(dāng)它具有大共軛結(jié)構(gòu)時(shí)，它會(huì)對(duì)鈣鈦礦的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，這一發(fā)現(xiàn)意味著團(tuán)隊(duì)開辟了一個(gè)新的設(shè)計(jì)方向。之前調(diào)控鈣鈦礦的電子結(jié)構(gòu)都是依靠 B 和 X，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn) A 也能做到這樣。

為了制造性能更好的鈣鈦礦材料，他們加入了一種專門設(shè)計(jì)的有機(jī)分子，一種含芘的有機(jī)銨。在它的外部，帶正電荷的銨基團(tuán)連接到芘分子——一個(gè)四重碳原子環(huán)，最終這種分子設(shè)計(jì)為鈣鈦礦提供了額外的電子結(jié)構(gòu)的可調(diào)性。

“鈣鈦礦的獨(dú)特性質(zhì)在于它們具有高性能無機(jī)半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)，以及聚合物易于低成本加工，”關(guān)于該成果，王睿當(dāng)時(shí)曾這樣告訴媒體， “這種新增強(qiáng)的鈣鈦礦材料現(xiàn)在為改進(jìn)設(shè)計(jì)概念、提高效率提供了機(jī)會(huì)?！?br />
“這就像找到一只會(huì)玩新花樣的老狗，”楊陽則對(duì)媒體表示，“在材料科學(xué)中，我們一直在尋找材料的分子結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高效電池。我們的博士后和研究生并沒有將任何事情視為理所當(dāng)然，而是深入挖掘以尋找新的途徑?！?br />
在該研究中，為了證明鈣鈦礦的附加效果，該團(tuán)隊(duì)用這些材料構(gòu)建了光伏 (PV) 電池，然后在連續(xù)光照下對(duì)其進(jìn)行了 2000 小時(shí)的測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電池依舊能以原始效率的 85% 將光轉(zhuǎn)化為能量，這與由相同材料制成的光伏電池形成鮮明對(duì)比，但沒有添加改變的有機(jī)分子，僅保留其原始效率的 60%。

力爭(zhēng)讓鈣鈦礦太陽能電池徹底實(shí)現(xiàn)商業(yè)化

王睿是遼寧錦州人，本科期間就讀于吉林大學(xué)，2015 年畢業(yè)后來到加州大學(xué)伯克利分校讀碩士，之后繼續(xù)在 UCLA 讀博士，拿到博士學(xué)位后繼續(xù)在同一個(gè)課題組做博士后，本碩博一直學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程。

能夠在 UCLA 結(jié)識(shí)楊陽講席教授，也讓他感到很幸運(yùn)，其表示自己學(xué)到了很多，并認(rèn)為楊老師是他最向往的老師。媒體稱楊陽曾八次打破世界紀(jì)錄，培養(yǎng)四十余位青年教授。而王睿正是楊陽培養(yǎng)出的諸多青年教授中的一位。

或許正因此，哪怕現(xiàn)在已經(jīng)回國有了自己的團(tuán)隊(duì)，但有時(shí)候還是想聽楊老師罵一罵自己。王睿說，事后想想楊老師說過的很多話，雖然一開始會(huì)覺得不適應(yīng)，甚至有點(diǎn)受打擊，但是慢慢就會(huì)覺得楊老師是真的為自己好，他說過的那些話對(duì)自己日后的科研發(fā)展乃至職業(yè)發(fā)展都非常有幫助。

王睿表示，自己團(tuán)隊(duì)是西湖大學(xué)目前專門做鈣鈦礦太陽能電池的團(tuán)隊(duì)。目前，團(tuán)隊(duì)共有 11 人，除了他則有 5 位博士生、2 位博士后、3 位科研助理和 1 位行政助理。人員多為 90 后，此前還有 00 后本科生來這里做訪問學(xué)生。

而他回國的目標(biāo)之一，是讓鈣鈦礦太陽能電池走出實(shí)驗(yàn)室，徹底實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。談及當(dāng)前在商業(yè)化上面臨的難題，他表示穩(wěn)定性是一個(gè)比較大的問題。

不過對(duì)于攻克這一難題，他也很有信心。之前鈣鈦礦的穩(wěn)定性突破，雖然沒有效率突破走得更快，但也有了很不錯(cuò)的突破。

五年前，鈣鈦礦電池只有幾個(gè)小時(shí)或者幾天，現(xiàn)在已經(jīng)能做到幾千個(gè)小時(shí)。王睿相信在三年之內(nèi)，經(jīng)過同行們的共同努力，一定會(huì)迎來大突破，并實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池商業(yè)化。

每年在鈣鈦礦領(lǐng)域，都有幾千篇論文誕生，之所以這么多人研究該領(lǐng)域，也是因?yàn)殁}鈦礦材料的應(yīng)用場(chǎng)景非常多，會(huì)給傳統(tǒng)光伏產(chǎn)業(yè)帶來變革性創(chuàng)新。鈣鈦礦材料的缺陷容忍度非常高，不像硅材料要長出好的單晶才會(huì)有高效率。這時(shí)，哪怕用很普通的溶液法就能制備高質(zhì)量的鈣鈦礦，并可得到很高的轉(zhuǎn)換效率。

如果該材料得以商業(yè)化，就能大大降低太陽能電池的成本，更加有利于中國在 2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。正因此，大家都在為攀登這一頂峰而努力。

-End-