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

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

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)驗后，大家休息時(shí)一起去喝咖啡，當時(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，從而讓轉化功率得到提升呢？

這次偶然的評論，使團隊回憶起咖啡中的咖啡因是一種生物堿化合物，其分子結構可以與鈣鈦礦材料的前驅體相互作用，這說(shuō)明咖啡因具有特定晶體結構的化合物，可在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中調節光收集層的性質(zhì)。

回去之后，王睿和同事查了一下咖啡因的分子式，發(fā)現其中有兩個(gè)官能團可對鈣鈦礦結晶產(chǎn)生調控作用，而這一發(fā)現也得益于前期的楊老師課題組的實(shí)驗積累。結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換效率和穩定性。

在此之前，科學(xué)家們改善這些太陽(yáng)能電池熱穩定性的嘗試，包括通過(guò)引入二甲基亞砜等化合物來(lái)增強鈣鈦礦層，目的就是要提高電池效率和長(cháng)期穩定性。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)，咖啡因的剛性結構和較高的沸點(diǎn)剛好可以彌補這一不足。

研究中，王睿和團隊將咖啡因添加到 40 個(gè)太陽(yáng)能電池的鈣鈦礦層中，并使用紅外光譜（使用紅外輻射來(lái)識別化合物）確定咖啡因已成功與鈣鈦礦材料結合。

通過(guò)進(jìn)一步的紅外光譜測試，他們觀(guān)察到咖啡因中的羰基（與氧雙鍵結合的碳原子）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所需的最小能量，將太陽(yáng)能電池效率從 17% 提高到 20% 以上。當材料被加熱時(shí)，由于咖啡因與鈣鈦礦的強相互作用，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(yáng)能電池的性能和熱穩定性》（Caffeine Improves the Performance and Thermal Stability of Perovskite Solar Cells）為題發(fā)表在 Joule 上。

探索最佳的分子構型

此后，王睿心想引入更多作用基團并且具有類(lèi)似的結構的分子是否有著(zhù)更好的效果呢？接著(zhù)他發(fā)現一個(gè)特別有意思的現象，咖啡因去掉一個(gè)甲基后，它會(huì )有兩個(gè)同分異構體，一個(gè)是茶堿，一個(gè)是可可堿，但是官能團的位置不一樣。盡管茶堿和可可堿的結構很相似，但它們對鈣鈦礦的影響并不相同。

之前大家都認為，只要有相應的官能團和鈣鈦礦相互作用，它就會(huì )起效。但是他發(fā)現，即使有這兩個(gè)官能團，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，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型可以最有效地提高鈣鈦礦的效率，讓鈣鈦礦電池的轉換效率提升到了 23%。此外，茶堿還能讓電池連續工作 500 小時(shí)僅損失 10% 的原始轉換效率。

2019 年圣誕節前夕，相關(guān)論文以《鈣鈦礦光伏表面缺陷鈍化的建設性分子構型》（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，其所在團隊首次對鈣鈦礦表面缺陷進(jìn)行了系統性研究。之前大家都是對體相的缺陷做研究，但是團隊發(fā)現表面的缺陷研究對鈣鈦礦效率和穩定性的影響更大。

“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(mǎn)意的成果。研究中，他們通過(guò)引入有機共軛陽(yáng)離子重構能帶邊緣，提高了鈣鈦礦電池的效率和穩定性。
之所以對這項研究更加滿(mǎn)意，其一是因為該成果完成于疫情期間，整個(gè)過(guò)程比較艱苦。當時(shí)他還在美國，疫情很?chē)乐?，每次去?shí)驗室都得全副武裝。

其二，是成果比較有創(chuàng )新性。鈣鈦礦是是一個(gè) ABX3 的結構，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)有機陽(yáng)離子，B 是二價(jià)陽(yáng)離子，X 則是鹵化物陰離子。

此前研究發(fā)現，鈣鈦礦的電子結構只會(huì )受到 B 和 X 的影響，A 只是起到穩定結構的作用。

而王睿和同事們的研究發(fā)現了一個(gè)新現象，當 A 位的陽(yáng)離子經(jīng)過(guò)有效的設計，并且當它具有大共軛結構時(shí)，它會(huì )對鈣鈦礦的電子結構進(jìn)行調控，這一發(fā)現意味著(zhù)團隊開(kāi)辟了一個(gè)新的設計方向。之前調控鈣鈦礦的電子結構都是依靠 B 和 X，現在發(fā)現 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(zhuān)門(mén)設計的有機分子，一種含芘的有機銨。在它的外部，帶正電荷的銨基團連接到芘分子——一個(gè)四重碳原子環(huán)，最終這種分子設計為鈣鈦礦提供了額外的電子結構的可調性。

“鈣鈦礦的獨特性質(zhì)在于它們具有高性能無(wú)機半導體的優(yōu)勢，以及聚合物易于低成本加工，”關(guān)于該成果，王睿當時(shí)曾這樣告訴媒體， “這種新增強的鈣鈦礦材料現在為改進(jìn)設計概念、提高效率提供了機會(huì )?！?br />
“這就像找到一只會(huì )玩新花樣的老狗，”楊陽(yáng)則對媒體表示，“在材料科學(xué)中，我們一直在尋找材料的分子結構以實(shí)現高效電池。我們的博士后和研究生并沒(méi)有將任何事情視為理所當然，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，該團隊用這些材料構建了光伏 (PV) 電池，然后在連續光照下對其進(jìn)行了 2000 小時(shí)的測試。結果發(fā)現，電池依舊能以原始效率的 85% 將光轉化為能量，這與由相同材料制成的光伏電池形成鮮明對比，但沒(méi)有添加改變的有機分子，僅保留其原始效率的 60%。

力爭讓鈣鈦礦太陽(yáng)能電池徹底實(shí)現商業(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(lái)到加州大學(xué)伯克利分校讀碩士，之后繼續在 UCLA 讀博士，拿到博士學(xué)位后繼續在同一個(gè)課題組做博士后，本碩博一直學(xué)習材料科學(xué)與工程。

能夠在 UCLA 結識楊陽(yáng)講席教授，也讓他感到很幸運，其表示自己學(xué)到了很多，并認為楊老師是他最向往的老師。媒體稱(chēng)楊陽(yáng)曾八次打破世界紀錄，培養四十余位青年教授。而王睿正是楊陽(yáng)培養出的諸多青年教授中的一位。

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

王睿表示，自己團隊是西湖大學(xué)目前專(zhuān)門(mén)做鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的團隊。目前，團隊共有 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(lái)這里做訪(fǎng)問(wèn)學(xué)生。

而他回國的目標之一，是讓鈣鈦礦太陽(yáng)能電池走出實(shí)驗室，徹底實(shí)現商業(yè)應用。談及當前在商業(yè)化上面臨的難題，他表示穩定性是一個(gè)比較大的問(wèn)題。

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

五年前，鈣鈦礦電池只有幾個(gè)小時(shí)或者幾天，現在已經(jīng)能做到幾千個(gè)小時(shí)。王睿相信在三年之內，經(jīng)過(guò)同行們的共同努力，一定會(huì )迎來(lái)大突破，并實(shí)現鈣鈦礦電池商業(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，也是因為鈣鈦礦材料的應用場(chǎng)景非常多，會(huì )給傳統光伏產(chǎn)業(yè)帶來(lái)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(cháng)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，并可得到很高的轉換效率。

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

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