入职2年2篇Nature，西湖大学最年轻博导再发Nature

2023年6月21日，西湖大学王睿、浙江大学薛晶晶、加利福尼亚大学杨阳及瑞士洛桑联邦理工学院Mohammad Khaja Nazeeruddin共同通讯在Nature在线发表题为“Oriented nucleation in formamidinium perovskite for photovoltaics”的研究论文，该研究报告了一种新的甲脒铅碘钙钛矿取向成核方法。该机制可以帮助避免不良相的存在，并提高光伏器件在不同薄膜加工场景下的性能。该器件的功率转换效率为25.4%(经认证为25.0%)，该模块的面积为27.83 cm²，经认证的孔径效率为21.4%。

研究的第一作者为西湖大学和浙江大学联合培养的博士研究生石鹏举，丁勇、丁斌、邢奇宇为共同第一作者。西湖大学王睿、浙江大学薛晶晶、加利福尼亚大学洛杉矶分校UCLA Yang Yang和洛桑联邦理工学院EPFL Mohammad Khaja Nazeeruddin为共同通讯作者。劳伦斯伯克利实验室、华北电力大学、复旦大学、马尔马拉大学为合作单位。该工作受到了西湖大学未来产业研究中心、西湖大学物质科学和分子科学实验平台以及白马湖实验室的支持。

王睿和薛晶晶都是90后（人物介绍详见文末），两人2021年同年分别入职西湖大学和浙江大学，其中，1993年生的王睿，2021年全职加入西湖大学工学院，成为西湖大学最年轻博导。这也是王睿入职西湖大学2年来第二篇nature。

同时，这也是继浙江大学6月7日登Nature之后，时隔两周，浙江大学与合作者再上Nature，浙江大学仍为第一单位。

2022年3月15日，加州大学洛杉矶分校杨阳，西湖大学王睿及韩国成均馆大学Jin-Wook Lee共同通讯在Nature 在线发表题为“Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics”的研究论文，该研究表明表面处理可能会引起负功函数偏移（即更多的 n 型），这会激活卤化物迁移以加剧 PSC 不稳定性。因此，尽管表面钝化具有有益效果，但这种有害的副作用限制了以这些方式处理的 PSC 可获得的最大稳定性改进。这种有利和不利影响之间的权衡应指导通过表面处理提高 PSC 稳定性的进一步工作。

FAPbI₃具有令人印象深刻的带隙和热阻，因此成为最有希望用作光伏器件的候选钙钛矿。然而，在室温下，FAPbI₃的光活性黑色相在能量上并不有利。多型形成和其他中间非光活性相的存在很容易发生，这破坏了其光伏性能。为了促进黑相FAPbI₃在室温下的形成，已经开发了几种方法，如与PbI₂形成加合物和使用离子液体的溶剂工程。遗憾的是，FAPbI₃钙钛矿的快速结晶动力学阻碍了对其成膜过程的深入研究。其结晶过程中相演化的微观机制尚未明确定义。这种信息的缺乏阻碍了FAPbI₃钙钛矿高效吸收剂的膜处理方法的更合理和有针对性的设计的发展，特别是针对不同的膜处理方案，如一步和两步膜沉积方案以及小和大面积装置。在一种加工场景中促进黑相FAPbI₃形成的策略在其他情况下通常会失败。

该研究观察到一种定向成核机制，这种机制源于特定晶体平面表面能的降低，这使人们能够避免FAPbI₃的黄相，并控制黑相FAPbI₃的形成。该研究验证了不同薄膜沉积方法的机理，发现它可以应用于提高小面积器件和太阳能组件的性能。

室温下黑相FAPbI₃的直接形成及其驱动力（图源自Nature ）

在钙钛矿薄膜的两步沉积方案中，PbI₂和有机卤化物前体依次沉积，在室温下总是观察到中间非光活性相。沉积的钙钛矿薄膜在室温下的X射线衍射(XRD)。黑色相的衍射峰对应于(100)面，并伴有六角形钙钛矿多型2H和6H中间相的衍射峰。在有机阳离子前驱体中加入盐酸戊脒(PAD)，消除了中间相。利用密度泛函理论计算和傅里叶变换红外光谱(FTIR)研究了PAD如何与Pb-I框架相互作用。PAD带正电的偕胺头能够通过静电和氢键相互作用锚定在黑相钙钛矿的八面体腔中。与PbI₂混合后，在PAD的FTIR光谱中可以看到C=N和N-H振动的峰移，证实了PAD与Pb-I框架通过酰胺单元之间的强相互作用。这种相互作用暴露了PAD的疏水烷基链，使其有序地堆叠在黑相钙钛矿(100)平面上。结果表明，与其他平面相比，当平面被PAD终止时，钙钛矿(100)平面的表面能下降最多(从3.16 eV下降到1.14 eV，下降了64%)。

二维钙钛矿相的形成证实了这种相互作用的构型，用XRD对用PAD制备的钙钛矿膜进行了表征。钙钛矿相的尺寸减小证明了(100)平面的表面能极低。这种热力学驱动力导致黑相钙钛矿的(100)取向优先形成，决定了黑相钙钛矿的结晶织构，促进了黑相钙钛矿晶体的形成。相比之下，没有PAD的相变过程能量分布相对均匀，导致多个相和取向并存。

王睿，西湖大学工学院助理教授，独立PI，1993年生，辽宁锦州人，2015年获吉林大学工学学士学位，2016年获加州大学伯克利分校硕士学位。2016.9-2019.12就读于加州大学洛杉矶分校，师从Yang Yang教授，获博士学位。随后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。

2021年4月全职加入西湖大学工学院。曾入选福布斯中国及亚太30岁以下30人，以及麻省理工科技评论全球科技创新35人等。王睿博士长期从事第三代太阳能电池的研究工作，曾以第一作者身份在Nature，Science (2篇)，Nature Photonics, Advanced Materials，JACS，Matter，Nano Letters等旗舰杂志发表论文23篇，研究成果被包括科学美国人，福布斯等多家知名媒体报道。

课题组主要研究方向: （1）钙钛矿光电器件的制备与表征：包括太阳能电池（单节，叠层），发光二极管，以及光电探测器等（2）钙钛矿材料的稳定性和缺陷态的机理研究（3）寻找新型有机无机杂化光伏材料（4）其他光伏电池研究。

薛晶晶，浙江大学材料科学与工程学院、硅材料国家重点实验室“百人计划”研究员、博士生导师。入选国家高层次人才引进计划、《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人” (MIT Technology Review “Innovators Under 35”, Pacific Asian）、福布斯中国30岁以下精英榜（Forbes China 30 under 30）。

2016年9月于南京大学化学化工学院取得学士学位，2020年5月于加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院取得博士学位，师从半导体光电材料与器件领域国际著名学者Yang Yang教授，期间曾赴斯坦福大学材料科学与工程学院崔屹教授课题组访学，博士毕业后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。于2021年全职加入浙江大学材料科学与工程学院。目前主要从事金属卤化物钙钛矿光电材料与器件研究。

先后共发表SCI论文40余篇，其中以第一或通讯作者在Science (2篇)、Nat. Rev. Mater.、Nat. Photonics、Nat. Energy、Adv. Mater. (2篇)、Joule (2篇)、J. Am. Chem. Soc. (2篇) 等期刊发表学术论文近20篇。多篇论文入选ESI热点和高被引论文，成果曾受到包括科学美国人、福布斯等多家国际知名媒体的广泛报道。长期担任J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., ACS Nano, ACS Energy Lett.等国际著名期刊审稿人。

原文链接：

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

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